книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

(О − олово, Ж − железо, Ф − фосфор, Б − бериллий, Х − хром и т.д.) и число, показывающее их процентное содержание в сплаве. Так, например, БрОФ10-1 содержит 10 % олова и 1 % фосфора, остальное − медь.

Широкое применение в промышленности находят оловянные бронзы для изготовления водяной и паровой аппаратуры, подшипников, зубчатых колес, пружин и др.

Бронзы обладают малой усадкой, а также высокой химической стойкостью. Олово весьма значительно изменяет свойства бронз: уже при содержании 5 % олова резко снижается их пластичность.

В оловянные бронзы водят добавки: цинк (5…10 %) − для удешевления, свинец (3...5 %) − для лучшей обрабатываемости, фосфор ( 1 %) − для придания пластичности.

Чаще всего используются оловянные бронзы следующих марок:

(σв = 320 МПа, δ = 40 %), БрОЦС4-4-2,5 (σв = 325 МПа, δ = 40 %) и др.

Безоловянные бронзы широко применяются в промышленности. Самыми распространенными являются алюминиевые (двойные и сложные) бронзы, превосходящие оловянные по механическим свой-

ствам.

Так, БрА7 в отожженном состоянии имеет следующие механические характеристики: σв = 420 МПа, δ = 70 %, а БрАЖН10-4- 4 − σв = 650 МПа, δ = 40 %. Из этих бронз изготовляют мелкие ответственные детали машин.

Отливки из кремнистых бронз отличаются более высокой коррозионной стойкостью, механическими свойствами и плотностью. Поэтому бронзы марки БрКЦ4-4 являются заменителями бронз марки БрОЦС5-5-5.

Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) характеризуются высокой прочностью (σв = 1200 МПа в закаленном и состаренном состояниях) и упругостью, химической стойкостью, свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Из них делают мембраны, пружины.

41

Свинцовистые бронзы (например, БрС30) являются хорошими антифрикционными материалами для подшипников.

Кроме латуней и бронз находят применение в промышленности медно-никелевые сплавы, обладающие высокими электрическими и термоэлектрическими свойствами. К ним относятся сплавы, содержащие кроме меди от 18 до 30 % никеля, 0,8 % железа и 1 % марган-

ца (мельхиор); 13,5…16,5 % Ni и 18…22 % Zn (нейзильбер); 39…41 % Ni и 1…2 % Mn (константан); 2,5…3,5 % Ni и 11,5…13,5 % Mn (манганин) и др.

6. Неметаллические материалы

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и т.п.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда сами являются незаменимыми. Двигатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов − пластмасс, ламинатов, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5−6 раз ниже, и они

в4−5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непременно возрастает использование неметаллических материалов

вмашиностроении, автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и т.д.

42

6.1. Пластмассы

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основой которых являются высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа низкомолекулярных соединений (мономеров) одинакового строения, связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами.

Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Например, мономеры этилена С2Н2 или хлорвинила С2Н2Cl после разрыва двойных ковалентных связей и образования одинарных молекул (меров) создают цепь из мономеров, т.е. полимеры, которые называются соответственно полиэтилен и поливинилхлорид (рис. 1).

Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М > 5 103). Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость.

Различают природные и искусственные (или синтетические) по-

лимеры. К полимерам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и т.д. Однако ведущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

По составу все полимеры делятся на органические, элементооргёанические и неорганические. Органические полимеры, составляющие наиболее обширную группу соединений, состоят из атомов углерода, водорода, серы и галогенов. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи, кроме перечисленных, атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, сочетающихся с органическими радикалами. В природе таких соединений нет. Это чисто синтетические полимеры. Их характерными представителями являются кремнийорганические соединения, основная цепь которых

43

построена из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и т.д.) не содержат атомов углерода. Основой их являются оксиды кремния, алюминия, магния и др.

Рис. 1. Схема полимеризации полиэтилена и поливинилхлорида

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не отдельные полимеры, а их сочетания с другими материалами как органического, так и неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики идр.).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Различают следующие типы полимерных структур: линейную, линей-

но-развет-вленную, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями (рис. 2).

44

Рис. 2. Различные типы структур полимеров: а − линейная; б − линейноразветвленная; в − лестничная; г − пространственная сетчатая

Для макромолекул полимеров с линейной структурой (рис. 2, а) характерна высокая гибкость, что обеспечивает эластичность и отсутствие хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейноразветвленной структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления (рис. 2, б). К типичным полимерам с линейной структурой относится полиэтилен, с линейно-разветвленной − полиизобутилен и полипропилен (в скобках приведена химическая структура звена, а индекс n указывает степень полимеризации):

Молекула полимера с лестничной структурой (рис. 2, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Полимеры с лестничной структурой, к которым относятся, например, кремнийорганические полимеры, характеризуются повышенной термостойкостью, жесткостью; они не растворимы в органических растворителя.

Полимеры с пространственной структурой (рис. 2, г) образуют при соединении макромолекул между собой в поперечном направле-

45

нии прочные химические связи. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки или пространственная сетчатая структура.

Полимеры с пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры с пространственной структурой являются основой конструкционных неметаллических материалов.

В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве,

они делятся на термопластичные и термореактивные.

Линейные и разветвленные полимеры, как правило, плавятся или размягчаются при нагревании. Такие полимеры называют термопластичными (термопластами). При охлаждении термопласты вновь переходят в твердое состояние. При этом материал не претерпевает химических превращений, что делает процесс плавления − затвердевания полностью обратимым. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры сначала имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество, сохраняя и в дальнейшем высокую твердость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к их разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся фенолоформальдегидная, кремнийорганическая, эпоксидная и другие смолы.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. В молекулах неполярных полимеров центры тяжести разноименных зарядов совпадают. У полярной макромолекулы центр тяжести электронов сдвинут в сторону более электроотрицательного атома и центры тяжести разноименных зарядов не совпадают.

Неполярные полимеры имеют симметричное расположение функциональных групп, и дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

46

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышается их прочность

итеплостойкость.

Взависимости от температуры нагрева полимеры могут находиться в одном из трех физических состояний: стеклообразном, вы-

сокоэластичном или вязкотекучем.

Стеклообразное состояние характеризуется колебательными движениями лишь атомов, входящих в состав мономеров. Ни звенья, ни макромолекулы полимера не перемещаются. Это состояние присуще всем полимерам, а полимеры с пространственной структурой бывают только в стеклообразном состоянии. Преимущественная де-

формация полимеров в этом состоянии − упругая. Высокоэластичное состояние обеспечивается за счет колебания

звеньев и изгибов макромолекул, что может привести к значительным обратимым изменениям формы полимера за счет совместных упругих и высокоэластических деформаций. Подобное состояние достигается у линейных, разветвленных и редкосетчатых (типа резины) полимеров.

Вязкотекучее (жидкое) состояние наблюдается у линейных или разветвленных полимеров за счет высокой подвижности макромолекул. В вязкотекучем, пластическом состоянии проводится переработка полимеров и материалов на их основе в изделия.

Полимеры в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии подвергаются медленному растяжению. При этом макромолекулы приобретают направленную ориентацию и упорядоченную структуру, что, в свою очередь, приводит к повышению прочности и упругости полимеров.

Полимеры с линейной, разветвленной и редкосетчатой структурой (термопласты) могут находиться в стеклообразном и высокоэластическом состояниях, а с пространственной структурой (термореактивные) – только в стеклообразном.

47

На рис. 3 представлены термомеханические кривые, которые графически отражают связь между деформацией, возникающей в полимере при заданном напряжении, и температурой его нагрева. Кривые характеризуют изменения механических и технологических свойств полимеров при различных температурах.

Рис. 3. Термомеханические кривые аморфного (1), кристаллического (2) и редкосетчатого (3) полимеров. Участки разложения: I − стеклообразного; II − высокоэластического; III − вязкотекучего; IV − химического

Исходя из такой зависимости деформации и физического состояния полимеров от температуры, пластмассы перерабатывают

визделия различными способами в вязкотекучем, высокоэластичном, жидком и твердом состояниях, а также производят сварку и склеивание.

Полимеры или пластмассы на их основе используются в твердом

состоянии при температурах ниже температуры стеклования tс. При температуре ниже температуры охрупчивания tхр полимер переходит

вхрупкое состояние. Формообразование изделий из полимеров или пластмасс проводят в температурной области вязкотекучего состояния. Кристаллические полимеры с аморфной составляющей до тем-

пературы плавления (кристаллизации) tк находятся в твердом состоянии, при tк кристаллическая составляющая полимера плавится и пе-

48

реходит в высокоэластическое состояние аналогично некристаллическим полимерам. Выше температуры начала вязкого течения tт аморфные и кристаллические полимеры находятся в вязкотекучем (гелеобразном) состоянии.

У редкосетчатых полимеров (типа резины) при повышении температуры вязкое течение не наблюдается. Верхней границей их высокопластического состояния является температура начала химического разложения tх.

Полимеры подвержены тепловому, световому, озонному или атмосферному старению − процессу самопроизвольных необратимых изменений свойств полимеров. При этом полимеры либо размягчаются, либо повышают свою твердость и хрупкость.

Некоторые полимеры характеризуются значительным разбросом физико-механических свойств из-за разной длины макромолекул.

Многие полимеры обладают малой плотностью и теплостойкостью, а также высокой химической и коррозионной стойкостью. Это отличные электроизоляционные материалы, к тому же обладающие хорошими оптическими свойствами. Они отличаются достаточной прочностью, упругостью, эластичностью. Большим достоинством полимеров считается их высокая технологичность.

Состав, классификация и свойства пластмасс

Пластмассы разделяют на простые и сложные. Если в высокомолекулярное вещество вводят небольшие добавки (1…2 % по массе) пластификаторов, стабилизаторов, красителей и др., то получаемый материал называют простыми пластмассами. К ним относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, состоящие, в основном, из чистого полимера того же наименования.

При введении в высокомолекулярное вещество кроме указанных добавок наполнителей (кварцевая мука, асбестовое волокно, графит, стеклянные волокна, ткани и др.), количество которых составляет обычно 40…70 % (по массе), получают сложные или композиционные пластмассы. К ним относятся, например, пресс-порошки, фаолит, текстолит, стеклопластики и т.п.

49

В качестве связующего вещества используют синтетические смолы и эфиры целлюлозы. По виду связующего все пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) − полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт, винипласт и т.д., термореактивные (реактопласты) − текстолит, стеклотекстолит, гетинакс, древеснослоистые пластики, асботекстолит, пенопласт, поропласт и др. Термопласты отличаются высокотехнологичностью и небольшой усадкой при формовке, обладают значительной эластичностью и не склонны к хрупкому разрушению. Реактопласты хрупкие и дают большую усадку, поэтому использование в них наполнителя обязательно.

Наполнитель вводят с целью снижения стоимости и обеспечения заданных свойств материала, в первую очередь прочностных. К наиболее распространенным наполнителям относятся древесная или минеральная мука (порошковые наполнители), асбестовое, хлопчатобумажное или другое органическое волокно (волокниты). Полимеры, где наполнителем является − стекловолокно, называют стекловолокнитами, с бумажным наполнителем − гетинаксами, с тканевым − текстолитами.

Пластификатор повышает пластичность пластмасс. В качестве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и многоосновных кислот. Отвердители (инициаторы, активаторы) ускоряют, а ингибиторы замедляют переход термоактивных смол в неплавкое состояние или термопластичных − в твердое. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке и предупреждают прилипание изделия к формообразующей оснастке.

Термопласты делят на неполярные и полярные. К первым относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вторым − органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляют газообразователи − вещества, которые при нагреве разлагаются, выделяя большое количество газов, вспенивающих смолу. Газообразователи уменьшают плотность пластмасс, придают им тепло- и электроизоляционные свойства.

50