Materialiteaduse üldalused vene keeles (0)

1.Поликристаллы, монокристаллы, некристаллические вещества (2.4)
Поликристаллические материалы
Большинство твердых материалов являются поликристаллическими – состоят из множества
беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен – кристаллитов.
Поликристаллы получаются, если кристаллизация начинается одновременно во многих точках.Если кристаллизация начинается с поверхности формы, то получаются кристаллы, выдвинутые в одном направлении
Монокристаллы
Монокристаллы – твердые тела, где периодичность расположения атомов продолжается во всём теле, т.е они крупные одиночные кристаллы. в природе, в форме правильного многокранника. Для технических целей выращивают монокристаллов исскуственно.
Анизотропия – эта зависимость свойств монокристалла от направления. Это явление связано с разной плотностью упаковки частиц в разных направлениях.
Некристаллические вещества
Некристаллические вещества характеризуются отсутствием дальнего порядка в расположении частиц, имеется только ближний порядок. Называются они аморфными (не имеющими формы). переохлаждённые жидкости, не успеющиеся кристаллизироватся. Аморфные материалы можно получить быстрым охлаждением вещест, кристаллизация которых затруднён.
Среди аморфных материалов выделяют ещё стеклообразные материалы. Они имеют между твёрдым (стеклообразным) состоянием и жидким (текучем) состоянием т.н высокоэластическое
состояние.
Металлы – всегда кристаллические.
Керамические материалы – большинство кристаллические.
Полимеры – большинство аморфные (стеклообразные).
2.Механизмы диффузии
Атомы находятся в твёрдом теле в непрерывном вибрационном движении. За счёт флюктуации
вибрационной энергии некоторые атомы иметь добавочную энергию, превышающую
среднюю энергию настолько, что атом может передвигатся в решётке.
Этот энергетический барер, которую атом должен при движении преодолеть (добавочная
энергия), называется энергией активации диффузии. Атомы, которые имеют эту добавочную
энергию, называются активными. Их концентрация выражается уравнением Больцмана:
n=N*C*exp(-E*/kT)
где N – общая концентрация атомов; Е* - энергия активации; С – постоянная.
Для движения атомов в решётке должны быть выполнены две условия:
1) рядом должно бытьпустое место;
2) атом должен быть активным.
В металлах происходит диффузия по двум механизмам.
Вакансионный механизм
Атом и вакансия обмениваются местами. Энергия активации – сумма из энергии образования
вакансии и энергии обмена места. Энергия активации тем больше, чем выше Т плавления металла. По вакансионному механизму пройсходит самодиффузия и диффузия примесей в твёрдых растворах замещения
Межузельный механизм
атомы движутся из одного межузельного положения в другую пустую межузлию.
диффузия примесей с маленькими размерами (атомы H, C, O, N) в твёрдых растворах внедрения. Диффузия по межузельному механизму идёт быстрее, чем по вакансионному механизму, т.к число пустых межузельных положении больше.
3.Стационарная диффузия
процесс диффузии зависит от времени. Постоянный во времени процесс диффузии называется стационарным. Поток диффузии (J) – количество вещества, диффундирующее в единице времени через единичную площадь:
J=m/s*t или J=1/S*dm/dt
где m – количество вещества; S – площадь; t – время.
Если J не изменяется во времени, тогда стационарная диффузия. При стационарной диффузии профиль концентрации линейный и
dC/dX=ΔC/ΔX=Ca-Cb/Xa-Xb= const
т.е градиент концентрации является постоянным. При стационарной диффузии поток диффузии пропорционален градиенту концентрации:
J=-D*dC/dX Закон Фика
где D – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии.
Выражаем J из уравнения : dm = J·S·dt
Поставим сюда J из закона Фика: dm=- D*S*dC/dX*dt
Если D = const ; S = const; dC/dX = const,
получаем при интегрировании m=- D*S*dC/dX*t
Если S = 1; dC/dX = -1; t = 1, то m = D.
Таким образом D – количество вещества, диффундирующее через единичную площать в
единице времени, если градиент концентрации равен единице. Измеряется в м2/с.
4. Прочность материалов. Механическое напряжение и величина деформации. Упругая и пластическая деформация (5.1, 5.2)
Для описания прочности материала исследуют его деформацию в зависимости от
механического напряжения. Прочность материала испытывают на растяжение, сжатие, сдвиг и
кручение.
Влияние силы растяжения и сжатия и соответствующие деформации следующие:
При определении прочности при растяжении измеряют продлинение объекта (Δl = l – l0) в
зависимости от силы F. Так как вид этой зависимости зависит от начальной площади
поперечного сечения объекта А0 и начальной длины объекта l0, то зависимость нормируется, т.е
сила разделяется на А0 и Δl на l0. Получают зависимость механического напряжения σ от
величины деформации (относительного удлинения) δ:
σ=F/A0 ; σ=Δl/l0 σ измеряется в Па, δ – безразмерная величина.
При определении прочности при сжатии силу считают отрицательным и деформация тоже
отрицательная.
Деформации сдвига и кручения следуючие: При изучении деформацию сдвига находят напряжение сдвига τ=F/A0
а деформация сдвига выражается γ = tgΘ, где Ө - угол сдвига. Деформация кручения выражается через угол кручения Φ: γ = tgΦ.
Деформация материалов завист от величины механического напряжения. При не очень
больших напряжениях величина деформации металлов пропорционально напряжению:
σ = E *δ, где Е – модуль упругости (эластичности).
Такая деформация называется упругим. Она обратимая: при снятии напряжения
восстанавливаются начальные размеры.
Модуль упругости зависит от температуры: при повышении Т Е уменьшается (наклон
уменьшается).
Е связан с прочностью химической связи: чем прочнее связь, тем больше Е (тем меньше
материал деформируется). Сравнение Е материалов: у керамических материалов Е больше, чем у металлов, а у полимеров меньше. У упругих материалов имеется линейная зависимость и между напряжением сдвига τ и
деформацией сдвига γ: τ = G * γ , где G – модуль сдвига (G ≈ 0,4 Е). У большинства металлов упругая деформация пройсходит до величины деформации около
0,005 (0,5%). Соответствующее напряжение называется пределом упругости.
Эту точку Р очень трудно определить экспериментально. Если деформировать материал больше этой точки, то зависимость станет нелинейной и начинается пластическая
деформация. При этом разрываются связи между частицами, пройсходит скальжение атомов
относительно друг-друга и затем связи образуются заного. Если деформировать материал больше предела упругости и снять напряжение, то сохраняется т.н остаточная деформация.
Напряжение, соответствующее остаточной деформации, равной 0,002 (0,2 %), называется пределом текучести σу.
Пластичностью называется свойство материала деформироватся без разрушения. Его
характеризуют относительным удлинением (перед разрывом) У:
Y=lf-l0/l0*100%,lF-длина при разрыве.
Относительное удлинение и хрупкость металлов зависят от температуры. При повышении
температуры относительное удлинение увеличивается и хрупкость уменьшается
5. Плоскости скольжения и методы упрочнения металлов (5.4, 5.5)
Плоскость, в которойпреимущественно происходит перемещение, называется плоскостью
скольжения. На плоскостьях скольжения имеются направления, в которых дислокации движутся преимущественно. Эти направления называются направлениями скольжения.
Плоскостьями и направлениями скольжения являются те, в которых плотность расположения
частиц найбольшая, т.е в которых частицы непосредственно соприкасаются с соседними
частицами. В КГЦ решётке плоскостьями скольжения являются плоскости, а на этих плоскостьях направлениями скольжения являются направления .
Все методы упрочнения металлов состоят в препятствии перемещения дислокации.
Основные методы упрочнения металлов следующие.
1) Уменьшение размеров зерен металла.
На межкристаллических поверхностях заканчивается перемещение дислокации (скольжение),
т.к: - заканчивается непосредственный контакт между соседними частицами;
- изменяется ориентация кристаллической решётки и тем самым направление плоскости
скольжения:
Поэтому металлы, имеющие более маленькие зерна (кристаллиты), более прочные и твёрдые.
Предел текучести зависит от размеров зерен следующим образом:
σ = σ +KvD^-1/2
где D – среднии диаметр зерен; σ0 и Kv – постоянные для данного металла.
Одним простым методов уменьшения размеров зерен является нагревание металла и быстрое
охлаждение (закалка). При закалке металл станет более упругим, но более хрупким.
2) Использование твёрдых растворов
Для этой цели металлов легируют примесями, которые образуют с основным металлом твёрдые растворы замещения. Если примесный атом по размерам меньше, чем атом основного
металла, то он создает вокруг себя напряжение притяжения и тем самым препятствует сдвиг (скольжение) атомов:
Добавочные напряжения, вызванные примесями, компенсируются на дислокациях. Поэтому
примеси скапливаются на дислокациях и тем самым препятствуют их движени.
3) Холодная обработка металла
Пластичные металлы упрочняются при низкотемпературной (холодной) деформировани. Это
явление называется наклепом. Такими обработками являются напр штамповка, прокатка,
вытягивание в проволоку.
Причины упрочнения:
- образуется много дислокации в разных направлениях (т.н лес дислокации), которые
препятствуют движению друг-друга;
- зерна меняют свою форму. Пройсходит вытягивание зерен с образованием волокнистой или
слоистой структуры. С этим увеличивается упругость металла.
6. Система железо – углерод. Фазовая диаграмма Fe – C (6.7)
Фазовая диаграмма системы железо – углерод от чистого железа до содержания углерода 6,7 %
приведена на рис 6.16.
У чистого железа пройсходит при температурах ниже Т плавления (15380С) два изменения
кристаллической структуры. При низкой Т (ниже 9120С) стабильной является α-железо
(феррит), который имеет КОЦ решётку. Выше 9120С оно переходит в γ-железо (аустенит),
который имеет КГЦ решётку. Выше 13940С опять стабильной является КОЦ решётка, но с
другой постоянной решётки (δ-железо).
Содержанию углерода 6,7 % соответствует химическое соединение Fe3C (цементит).
Углерод образует в железе твёрдый раствор внедрения, т.е его атомы внедряются в
междоузельные пустоты решётки железа. Поэтому растворимость С в железе небольшая,
особенно в α-железе и в δ-железе. Напр в феррите максимальная растворимость 0,022%.
В аустените, который стабилен выше температуры 7270С, С растворяется значительно больше:
макс растворимость 2,14%.
Цементит образуется, если углерода больше, чем его растворяется в α- или γ-железе. Он
особенно прочный и хрупкий.
На диаграмме имеются эвтектическая, эвтектойдная и перитектическая точки и
соответстующие изотермы (горизонтальные линии) при температурах 11470С, 7270С и 14930С.
При этих температурах протекают соответствующие инвариантные реакции:
L(4,3%C) ↔γ +Fe3C
γ(0,76%C) ↔α + Fe3C
L+ δ↔γ
Железо и его сплавы с углеродом разделяются на три группы:
1) чистое железо – содержит углерода меньше чем 0,008%;
2) сталь – содержит углерода от 0,008 до 2,14%;
3) чугун – содержит углерода от 2,14 до 6,7% (обычно до 4,5%).
7. Виды стали и чугуна (7.1.1, 7.1.2)
Стали классифитсируются по содержанию углерода и по содержанию других примесей:
С увеличением содержания углерода возрастают пределы прочности и текучести, снижается
пластичность и ухудшается свариваемость.
Низколегированные стали содержат примесей (кроме С) до 2,5%, высоколегированные – выше
10%.
Виды стали:
1) Низкоуглеродистые стали (до 0,25% С)
В них невозможно получить структуру мартенсита, поэтому проводят упрочнение холодной обработкой. Микроструктура состоит из феррита и перлита. Такие стали относительно мягкие, пластичные, легко корродирующие, но дешёвые. Они самые распространённые. Использование: кузовы автомобилей, профильные стали (балки, трубы, уголки), листы и сварные конструкции. ТS до 600 МПа, холоднообработанных до 1200 МПа.
2) Среднеуглеродистые стали (0,25 – 0,6 % С)
В них можно получить структуру мартенсита, используют главным образом в виде отпущённого мартенсита. Легируют с Cr, Ni и Mo. Использование: железнодорожные рельсы.
3) Высокоуглеродистые стали (0,6 – 1,4% С)
Самые прочные, твёрдые и ещё достаточно пластичные стали. Используют в виде отпущённого
мартенсита. Сюда входят инструментальные стали, которые особенно прочные. Они содержат Cr, V, W и Mo от 1 до 10%. Высокую прочность дают карбиды Cr, V и W. Использование: инструменты, ножи, пружины, проволока.
4) Нержавеющая сталь
Очень коррозионно-стойкий. Содержит не менее 11% Cr, кроме того Ni и Mo. Разделяются на
ферритные, мартенситные и аустенитные в зависимости от микроструктуры. Разновидностью
нержавеющей стали является жаростойкая сталь, которая работает в оксидирующей среде до
температуры 10000С. Её используют напр в газовых турбинах, в авиации, в ядерных реакторах.
Основные виды чугуна: серый, белый, высокопрочный и ковкий чугун.
Обозначения: Р – перлит; α – феррит; G – графит.
Индексы: f – пластинчатый; r – хлопьевидный; n – шаровидный.
Серый чугун (gray cast iron ) – самый распространённый и дешовый, которую получают при не очень быстром (умеренном или медленном) охлаждении. В нём содержится графит в виде пластинок Gf. Микроструктура серого чугуна может быть перлитный или ферритный в зависимости от скорости охлаждения. Серый чугун не является особенно прочным, но является очень хрупким. При темп литья имеет хорошую текучесть. Из серого чугуна изготовляют напр блоки, цилиндры и поршни моторов
внутреннева сгорания.
Белый чугун (white cast iron) образуется при быстром охлаждении. В таком случае графит не успеет образоватся, углерод остаётся в виде цементита. Белый чугун очень твёрдый и хрупкий. Из него изготовляют напр шарики подшибников и мельниц.
Если провести отжиг белого чугуна при темп 7000С около 30 часов, то выделяется хлопьевидный графит Gr. Получается ковкий чугун (malleable cast iron), который является пластичным. Он может также быть с перлитной или ферритной структурой в зависимости от скорости охлаждения.
Если к расплаву металла добавить до литья немного Mg и/или Ce, то выделяются шаровидные частицы графита Gn. Образуется высокопрочный чугун (ductile cast iron), который достаточно пластичный. Его свойства близки к свойствам стали, но он более дешовый и детали из него можно изготовить литьем.
8. Медь и алюминий, их сплавы (7.2, 7.3)
Медь и её сплавы
Чистая медь имеет высокую электро- и теплопроводность, но является очень мягким и пластичным: предел прочности при растяжении TS равен 220 МПа.
Медь – коррозионно-стойкий (неактивный) металл. Его использование в чистом виде затруднён из-за мягкости. Механических свойств меди можно улучшить холодной обработкой и легированием.
Главным сплавом меди является латунь, состав которой обычно 70% Сu и 30% Zn. Такому составу соответствует твёрдый раствор α, который имеет КГЦ решётку. α-латунь более прочный, чем Сu и достаточно пластичный, так что её можно обрабатывать холодной деформацией. Деталей из латуни можно изготовить также литьем. Очень важные сплавы меди – бронзы. Бронзы – это сплавы меди в основном с оловом (Sn), а также с Al, Ni, Be и Р. Бронзы более прочные, чем латуни, и упругие. Особенно прочная (прочнее чем низкоуглеродистая сталь) бериллиевая бронза, который содержит около 1,9% Be. Её используют напр для изготовления проводящих пружин. Высокая прочность бронз связано с образованием в них преципитатов (зародышей кристаллов) примесей. Важны ещё сплавы меди с никкелем, напр константан, который является сплавом сопротивления. Его используют для изготовления реостатов и термопар.
Алюминий и его сплавы
Алюминий имеет маленькую плотность (2,7 г/см3), т.е лёгкий металл. Он хороший электро- и
теплопроводник (немного хуже чем медь). Имеет высокую теплоёмкость и является очень
мягким.
Алюминий – активный металл, окисляется в воздухе уже при комнатной температуре.
Образующиися слой Al2O3 является очень плотным и защищает Аl от дальнейшего окисления.
Толщину защитного слоя окиси можно увеличить методом электролиза. Процесс называется анодированием. Анодированный Аl используется в стройтельстве. Из Аl можно получить очень тонкую фольгу, т.к он очень пластичный. Мягкость и относительно низкая темп плавления ограничивают использование чистого Аl. Упрочнение Аl пройсходит холодной обработкой и легированием. Сплавы алюминия содержат в основном Cu, а также Mg, Si, Mn, Zn и Cr. При легировании алюминия с примесями в нём образуются зародыши новой фазы (преципитаты), которые увеличивают прочность сплава. Причина в том, что в преципитатах нового твёрдого раствора расстояние между атомами меньше,чем расстояние между атомами Аl в Аl. Это вызывает внутреннее напряжение, направленное во внутрь преципитатов.
Добавление к Аl уже 0,12% Cu увеличивает его прочность два раза. Легированную медью алюминия используют напр для изготовления посуды, рефлекторов итд. Особенно прочные два сплава алюминия:
1) Al + 4,4% Cu + 1,5% Mg + Mn (дуралюминий)
2) Al + 1,6% Cu + 2% Mg + Zn + Cr + Mn (TS = 600 МПа)
Их используют в автомобильной и авиационной промышленности.
Сплавы Al с Li работают при особонизких температурах (в космосе и тд).
9. Титан и его сплавы. Драгоценные металлы. Никкель и его сплавы (7.4.2, 7.4.4, 7.4.5)
Титан и его сплавы
Титан имеет целый ряд преимуществ:
- маленькая плотность (4,5 г/см3);
- высокая Т плавления (16680С);
- высокая прочность (больше чем у стали);
- пластичность.
Особенно прочные сплавы титана. Напр сплавы с Al, V и Cr имеют ТS около 1400 Мпа. Недостатком титана является то, что при высоких температурах он химически очень активный. Поэтому при плавлении и литье необходимы специальные инертные материалы, что вызывает высокую цену деталей из титана. При низких температурах титан и его сплавы очень коррозионно-стойкие, они устойчивые в морской воде и в разных агрессивных средах. Титана и его сплавов используют в космической технологии, в авиационной, химической и нефтепромышленности.
Драгоценные металлы
Сюда относятся Ag, Au, Pt и Pd (палладий). Свойства: они
- особенно пассивные, коррозионно-стойкие;
- мягкие и пластичные;
- дорогие.
Серебра и золота можно упрочнять легированием, в осномном медью. Напр для изготовления посуды из серебра используют сплав 92,5% Ag и 7,5% Сu. Серебро и золото имеют очень высокую проводимость, серебро самый проводящий металл. Так как они одновремённо очень коррозионно-стойкие, то их используют проводниками и контактными материалами в микросхемах (в процессорах), для покрытия деталей сверхвысокочастотных устройств и тд.
Платину используют широко в химических лабораториях: тигли, электроды, термопары и тд. Pt является также универсальным катализатором, т.е ускоряет многих химических реакции. Pd имеет высокую способность абсорбировать водород.
Никкель и его сплавы
Никкель – коррозионно-стойкий металл, особенно в щелочных средах. Его используют для покрытия других металлов с целью их защиты от коррозии (никелирование – обычно гальванически). Покрывают и в декоративных целях. Важны сплавы никкеля с медью. Напр константан – сплав сопротивления. Сплав, содержащии 65% Ni, 28% Cu + Fe, очень прочный и устойчивый в агрессивных средах (кислоты, нефтепродукты). Ni входит в состав нержавеющих сталей и суперсплавов. Сплав Ni – Cr (нихром) также сплав сопротивления, из которого изготовляют нагревательные элементы (электроплиты и –печи, утюги и др).
10. Механическая обработка металлов и сплавов (7.5)
Методы механической обработки металлов следующие:
1) Формовка:
- штамповка (+ ковка);
- прокатка;
- выдавливание (экструзия);
- волочение.
2) Литье:
- в формах;
- под давлением;
- по выплавляемым моделям.
3) Порошковые методы:
- порошковая металлургия;
- сварка и пайка.
4) Резание
Формовка
При формовке изменяют форму металла в ходе пластического деформирования. Используемое
напряжение должен быть больше чем предел текучести металла.. Если температура при деформировании превышает температуру рекристаллизации, обработка называется горячей формовкой, в пртивном случае – холодной формовкой. При горячей формовке возможна более значительная деформация и энергия, затрачиваемая на формовку, меньше. Зато энергия затрачивается на нагревание металла и при нагревании многие металлы окисляются.
При холодной формовке затрачивается больше энергии, но полученные детали имеют более
точные размеры, лучшую поверхность и большую прочность.
1) Штамповка разделяется на объёмную и листовую штамповку. Объёмная штамповка заключается в одновремённом деформировании всей заготовки в специальном инструменте – штампе (пресс-форме) (Листовая штамповка предназначена для получения плоских или объёмных полых деталей из листа или полосы металла. Таким образом изготовляют напр детали кузовов автомобилей.
2) Ковка – процесс деформирования нагретой заготовки между бойками молота или пресса.
3) Прокаткой называют обжатие металла вращающимися валками (рис 7.6 b). Он самый распрастранённый метод формовки металлов. Прокаткой получают изделия с постоянным по длине поперечным сечением (прутки, рельсы, балки, листы).
4) Экструзия заключается в выдавливании нагретого металла, находящегося в замкнутом объёме, через отверстие в матрице (рис 7.6 с). Метод используется для обработки мягких металлов – Al, Cu и их сплавов. Изготовляются напр прутки и трубы.
5) Волочение представляет собой притягивание заготовки через отверстие в волочильном матрице .Волочением получают проволоку и калиброванные прутки. При изготовлении стальной проволоки надо использовать матрицу из очень твёрдого материала, напр из карбида какого-то металла. Необходимо мазание и иногда нагревание матрицы.
Литье
Суть литейного пройзводства состоит в том, что детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла литую деталь, называемую отливкой, удаляют из литейной формы.
Литейный метод используется, когда:
- деталь очень большой или сложной конфигурацией;
- литье более дешовый в сравнении с формовкой.
Основные способы изготовления отливок следующие:
- в песчано-глинистых формах;
- в металлических формах;
- под давлением;
- по выплавляемым моделям;
- непрерывный метод.
Разовые формы изготовляют из керамических (песчано-глинистых) материалов. После заливки
разовую форму разрушают для освобождения затвердевшей отливки. Многократные разъёмные формы изготовляют из шамота, цемента или металла (кокили). Сущность литья под давлением состоит в том, что жидким металлом принудительно заполняют металлическую форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации отливки. Пройзводительность литья под давлением много больше, но этот метод использован только для металлов и сплавов с относительно низкой температурой плавления: Al, Mg, Zn и их сплавы. Метод изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям состоит в том, что по легкоплавкой модели изготовляют неразъёмную разовую форму. Модели из этой формы выплавляют, а образовавшуюся полость заливают жидким металлом. Получаются очень точные отливки с чистой поверхностью. Используется напр в ювелирной пройзводстве. Непрерывный метод литья используется в основном для первоначальной кристаллизации жидких металлов и сплавов. Жидкий металл течёт непрерывно в форму, который двигается и где металл затвердеет, затем идёт к дальнейшему обрабатыванию.
7.5.3 Порошковые методы
1) Порошковая металлургия
При создании деталей методом порошковой металлургии, вначале из порошков прессуют
, которые затем спекают при темп выше темп рекристаллизации.
Этот метод используется для:
- тугоплавких материалов;
- металлов со значительной разницей в температурах плаления (напр W и Cu);
- смесей металлов с неметаллами;
- материалов с малой деформированностью;
- случаев, если нужен очень высокая точность деталей.
2) Сварка и пайка
Сваркой называется процесс получения неразъёмных соединений за счёт использования межмолекулярных и межатомных сил сцепления. Это достигается нагревом свариваемых поверхностей до расплавленного или пластического состояния и приложением механического усилия сжатия.
Основные виды сварки электрическая, газовая и сварка давлением. Последная подходит к Pb, Al, Cu, Ni и к другим мягким металлам. При пайке металлов доводят до плавления только легкоплавкий присадочный металл, называемый припоем. Припои разделяются на мягкие (в основном Pb-Sn) и твёрдые (Cu, Cu- Zn). Вспомогательные материалы, которые защищают поверхность металла и припоя от
окисления, способствуют растеканию и тд, называются флюсами.
7.5.4 Обработка металлов резанием
Основными методами обработки металлов резанием являются:
- обработка на токарных станках;
- сверление;
- обработка на фрезерных станках;
- шлифование.
Резущим инструментом являются соответственно: токарные резцы, сверла, фрезы,шлифовальные диски и др.
11. Неорганическое стекло (сорта стекла, изготовление деталей) (8.5)
Неорганические стёкла содержат как минимум одного стеклообразующегося оксида, обычно
оксида кремния SiO2. Кроме того других оксидов: CaO, Na2O , K2O, Al2O3 и др.
сорта стекла: свойства использование

Плавленный кварц >99,5 Маленький коэфлинейного расширения.Контейнеры, тигли, трубы

Кварцевое стекло(Vycor)96 .Термо- и химическистойки стойкий .Лабораторное стекло

Борсиликатное стекло.81. Термо- и химически стойкий.Лабораторное стекло, посуда

Оконное стекло. 74 .Низкая темп плавления. Оконное стекло

Стекловолокно. 55.-. Стекловолокно и -вата

Оптическое стекло(37% PbO).54 Большая плотность и показатель преломления.Оптические устройства (линзы,призмы и тд)

Стеклокерамика(18% Al2O3).70 .Кристаллизуется Посуда, жаростойкие покрытии
Изготовление деталей:Исходные материалы расплавляют вместе (при темп выше 14000С). Если важна прозрачность, стеклянная масса должна быть без пузырков, т.е довольно жидкий.
Основные методы изготовления деталей:
прессование, дувание и притягивание.
Прессования используют для получения относительно толстых деталей, напр пасуды. Пресс-формы изготовлены из чугуна и покрыты графитом.
Дувания используют для получения полых деталей (бутылки, банки и т.д).
Растягивания используют для изготовления оконного стекла, стеклянных труб, стержней и т.д. Специальная технология нужна для получения стекловолокна, которое используется в композитах. Стекловолокна используют также как волноводов в оптических кабельях связи. Цветное стекло получается добавлением следующих оксидов: CaO – синее; Cr2O3 – зелёное; MnO2 – коричневое; UO2 – жёлтое. Ультрафиолетового излучения пропускает плавленный кварц. Закалённое стекло получается при быстром равномерном охлаждении. Оно более прочное итермостойкое.
Стеклокерамика – эта кристаллизованное стекло. Для кристаллизации в стеклянную массу вводят до охлаждения специальные примеси, которые образуют зародыши кристаллов кварца. Стекло- керамика является поликристаллическим материалом и поэтому непрозрачна. У неё маленький коэффициент линейного расширения и она устойчива к термическим ударам. Имеет большую плотность, чем стекло. Применяется для изготовления посуды, жаропрочных покрытии металлов и абразивных материалов.
12. Традиционная керамика. Технология керамических деталей (8.6)
Традиционной называется керамика на базе глины. Глина является основным исходным материалом керамических изделии, так как:
- её много и она дешёвая;
- можно использовать без добавок;
- мокрая глина очень пластичная.
Традиционная керамика разделяется на стройтельную керамику и фарфор.
С состав стройтельной керамики входят кирпичи, плитки и т.д.
Форфор – такая керамика, которая при нагревании при высокой температуре приобретает белый цвет. Из фарфора изготовляют посуду, сан.технические и электроизоляционные изделия и т.д.
Технология керамических деталей.
Детали формуют обычно в мокром состоянии. Следует сушение, которое должно быть медленное,
иначе образуются трещины.Следует высокотемпературный обжиг при темп 900 – 20000С. Конкретная температура зависит от состава исходных материалов и от требуемых свойств деталей. При обжиге часть алюмосиликатов расплавится и заполняет поры материала. При охлаждении образует эта часть стекло, которое связывает кристаллические части. Кирпичей обжигают при темп около 9000С и они содержат довольно много пор. Фарфора обжигают при более высокой температуре. Многие керамические детали покрываются глазурью, которая представляет собой слой стекла. Для получения глазури детали перед обжигом покрывают исходными материалами стекла.
13. Типы полимеров. Термопласты, жидкокристаллические полимеры, термореактивные полимеры, эластомеры (9.3)
Типы полимеров
Полимеры разделяются на термопластические (термопласты) и термореактивные (в том числе
реактопласты).
Термопласты
Термопластами являются линейные и малоразветвленные полимеры, которые при каждом нагреве размягчаются, переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении отвердевают. Они могут быть аморфными или частично кристаллическими.
Имеются также жидкокристаллические полимеры. У них имеются в жидком состоянии упорядоченные части. Упорядоченность может быть одногодимензионный (нематические) или двухдимензионный (смектические).
Термореактивные полимеры
При нагреве они вначале размягчаются, а затем при определённой температуре переходят в твёрдое, неплавкое и нерастворимое состояние. Это объясняется с образованием сетчатых связей между цепьями, которые в дальнейшем не прерываются. Сюда относятся действительные термореактивы (реактопласты), напр фенолоформальдегидные и полиэфирные полимеры. К термореактивным полимерам относятся также резины, которые получаются при вулканизации эластомеров. Эластомеры имеют длинные гибкие и кручавые цепи, которых легко растягивать. У них очень широкая область упругости и большая упругая деформация. Зависимость величины деформации от напряжения у них нелинейная. Термореактивность резины выражается в противостоянии нагреванию – они не размягчаются до деградации.
14.Механические и термомеханические свойства полимеров
Механические свойства полимеров похожие к свойствам металлов, но у них деформация зависит от скорости загруски силы, от температуры и от условии окружающей среды (присутствие воды, кислорода и т.д).
Характерные зависимости величины деформации от напряжения в полимерах следующие:
А – хрупкии полимер;
В – пластичный полимер;
С – эластичный полимер.
У эластичных имеется широкая область упругости и модуль упругости
зависит от напряжения (зависимость кривая). Предел прочности может быть у полимеров больше или меньше чем предел упругости. Модуль упругости и предел прочности полимеров обычно меньше, чем у металлов, но у некоторых полимеров они могут быть сравнимые с металлами.
15. Формовка полимеров
Для формовки деталей из термопластов пользуются больше всего выдавливание (экструзия) и литье под давлением.
При выдавливании полимер ведётся нагреванием в вязкотекучее состояние и непрерывно выдавливается через калиброванное отверстие. Процесс аналогичен выдавливанию металлов. Таким образом получают продукт с постоянным сечением: стержни, трубы, пластины.
При литье под давлением материал в виде гранул или поршка из бункера подаётся в цилиндр с нагревателем, плавится и движением плунжера выдавливается в полость пресс-формы:
После выдержки (для затвердения материала) плунжер возвращается в
исходное положение, форма раскрывается и изделие с помощю выталкивателя удаляется. Таким методом можно получить деталей со сложной фигурой.
Горячее прессование обычно применяется для изготовления деталей из термореактивных полимеров с зернистыми или волокнистыми наполнотелями.
Применение полимеров
Полимеров используют в следующем виде:
- пласты (компактные и плёнки);
- резины и эластомеры;
- волокна и волокнистые материалы;
- клеи и связующие материалы;
- покрывательные материалы;
- композиционные материалы.
Полимеров используют больше всего в виде плёночных материалов и в виде связующих материалов в компактных пластиках.
В компактных пластиках применяют связующим компонентом как термопласты, так и реактопласты. В пенопластах используют главным образом полистирол, в плёночных материалах PE, PVC и полипропилен.
Использование резины очень широкое: шины, ремни, уплотнители, обувь и тд
16. Композиты, упрочнённые зернами
В этом случае размеры зерен диспергированной фазы почти одинаковые в разных направлениях. Большими считают зерна, размеры которых много больше молекулярных размеров. Размеры нанозерен находятся в пределах 10 – 100 нм.
Композиты с большими зернами
Сюда относятся многие пластмассы, куда введены наполнители ввиде зерен. Другой пример – бетон – где цементу добавлен песок.
В состав таких композитов могут войти все три типы материалов: металлы, полимеры и керамика. Средой чаще всего является полимер или металл, керамику используют как диспергированную фазу. Напр металлокерамика, где металлу добавлены частицы твёрдых керамических материалов (карбида вольфрама и титана). Резину добавляют частицы сажи, которые увеличивают прочность и износоустойчивость резины.
В бетонах оптимальным является содержание частиц двух размеров (песка и щебени) и они могут составлять до 80% объёма бетона. Дла упрочнения в бетон добавляют ещё арматуру.
10.2.2 Композиты с нанозернами
Упрочнение материала с нанозернами происходит по такому-же эффекту, как упрочнение сплавов металлов введением прципитатов: нанозерна вызывают силы, направленные во внутрь зерен и препятствуют тем самым движению дислокации.
Добавлением нанозерен упрочняют многих металлов и сплавов. Напр к сплавам никеля добавляют нанозерна ThO2, а к алюминию добавляют нанозерна Al2O3.__
17. 10.3.2 Материалы волокна
Используют материалов с высокой прочностью. Чем меньше диаметр волокна, тем больше прочность композита. Но и дороже.
По диаметру волокна разделяются на: 1)пушки; 2)волокна и 3)проволоки.
Пушки – это очень узкие монокристаллы. Они практически не содержат дислокации, поэтому являются очень прочными, но дорогими. Основные материалы для изготовления пушков: графит, SiC и Al2O3. Наибольшая удельная прочность у графитных пушков: 9,1 Гпа. Из волокон больше всего используют стеклянного волокна. Стекловолокно довольно прочное (уд прочность 1,4 Гпа), дешёвое и технологичное Композитов, упрочнённых стекловолокном, используют очень широко в транспорте (кузовы, контейнеры и т.д).
Более прочное углеродное волокно (карбоволокно). У него уд прочность до 2,7 Гпа. Его не называют графитным, так как содержит кроме кристаллов графита и аморфные части. Карбоволокнитов (композиты с карбоволокном) используют в судостроении и автомобиле- строении (кузовы, шасси, гребные винты), для изготовления спортивной инвентари (лыжи) и авиационной техники.
Очень важное для композитов арамидное волокно (уд прочность до 2,8 Гпа). Прочность арамидного волокна много больше, чем у других полимеров.
18. Изготовление композитов, упрочнённых волокнами
Метод вытягивания используется, если изготовляют непрерывный продукт с постоянным сечением (пластины, прутки, трубы).
Горячее прессование используется для получения плёночных материалов, упрочнённых волокнами.
Технология следующая:
Термореактивный полимер прессуется между нагреваемыми роликами и двумя слоями бумаги, один из которых потом удаляется, другой является носителем.
Метод наматывания используется для получения цилиндрических деталей.
Пропитанное смолой волокно наматывается на подложку в нескольких слоях и нагревается. Возможно использовать разные методы наматывания. В первом случае получается деталь с универсальной прочностью, во втором случае – с перпендикулярной прочностью. В третьем случае прочность наибольшая вдоль цилиндра.
Слоистые композиты
Слоистые композиты состоят из слоёв разных материалов, которые в своей очереди могут быть композитами. Одна возможность: плоскостные (ламинарные) слоистые композиты. Там строение обычно такое, что слои имеют наибольшую прочность в разных направлениях. Такими слоями могут быть слои из бумаги, ткани, древесины
(напр фанера) или из других волокнисты материалов. Слои соединяются с помощи клея или полимерных связующих. Вторая возможность – материалы типа «сендвич». Там между двумя листами металла или волокнистого композита находится материал с маленькой плотностью: пенопласт, резина, древесина, сотово-образный металл.
19. 11.4 Электропроводность металлов
В металлах концентрация свободных электронов большая, свободные все электроны наружного слоя (валентные электроны) атомов. Эта концентрация не зависит от температуры.
Удельные проводимости самых проводящих металлов следующие (в чистом виде):
Ag 6,8·107 См/м
Cu 6,0·107 «
Au 4,3·107 «
Al 3,8·107 «
Примеси и дефекты увеличивают рассейвание электронов, уменьшают их подвижность и тем самым удельную проводимость (увеличивают удельное сопротивление). Cуммарное удельное сопротивление металла ρΣ можно выразить как состоящее из трёх компонентов:
ρΣ = ρt + ρl + ρd
где ρt – собственное удельное сопротивление (зависит от температуры);
ρl – удельное сопротивление, вызванная примесями;
ρd – удельное сопротивление, вызванная дефектами (деформацией).
Зависимость удельного сопротивления от температуры.
От температуры зависит только собственное удельное сопротивление ρt. При увеличении температуры увеличиваются колебания атомов (ионов) в решётке (т.н фононы), уменьшается подвижность электронов и увеличивается удельное сопротивление.
В линейной области можно зависимость выразить:
ρt = ρ0(1 + αρ·T)
где ρ0 и αρ – постоянные для данного
металла;
Т – температура в К.
Если температура выраженна в 0С,
то ρ0 имеет другое значение (ρ0С):
ρt = ρ0С(1 + αρ·TС).
Для металлов αρ > 0.
Зависимость ρ разных металлов от температуры следующая:
Видно, что у разных металлов разные αρ.
Если происходит резкое изменение ρ, то изменяется кристаллическая структура.
Зависимость удельного сопротивления от примесей.
11.5 Сверхпроводимость
У большинства чистых металлов при сближении температуры к 0 К уделное сопротивление сближается к определённому значению ρ0. Но у некоторых металлов (напр Hg) ρ станет равным нулю уже выше абсолютного нуля.
Это явление называется сверхпроводимостью и такие материалы называются сверхпроводниками. Из чистых металлов самый характерный сверхпроводник Nb, у него появляется сверхпроводимость при 9,2 К.
Кроме металлов сверхпроводимость найдена во многих соединениях, причём при значительно высших температурах. В некоторых керамических материалах получена сверхпроводимость около 150 К. Сверхпроводники очень перспективные материалы для передачи электроэнергии, их используют в мощных электромагнитах и тд.
20. 11.7 Диэлектрики
Самое характерное свойство диэлектриков – их поляризация в электрическом поле.Поляризация – эта сдвиг связанных зарядов внутри диэлектрика, так что в нём образуется внутреннее электрическое поле.
Способность поляризации материала характеризуется его диэлектрической проницаемостью ε.
Виды поляризации диэлектриков.
А – электронная поляризация. Происходит деформация электронного облака атомов.
B – ионная поляризация. Происходит выход ионов из узлов решётки.
C – дипольная поляризация. Происходит поварачивание полярных (дипольных) молекул в направление электрического поля.
Проводимость диэлектриков.
Чистые диэлектрики не имеют свободных носителей заряда и не имеют проводимости впостоянном электрияеском поле (сопротивление безконечно большая). Проводимость реальных диэлектриков связано с примесями. Носителями заряда могут быть электроны и ионы.Удельное сопротивление реальных диэлектриков находится в пределах 1010 – 1016 Ом·м.
В переменном электрическом поле в диэлектриках протекает поляризационный ток, вызванный повторяющимся сдвигом связанных зарядов.
Пробой диэлектриков.
При достаточно высоких напряжениях диэлектрики потеряют свои изоляционные свойства. Это явление называется пробоем (в виде искры или дуги). Соответствующее напряжение называется напряжением пробоя Uпр.
Диэлектрические материалы.
Диэлектрические материалы используются в двух целях: 1)как изоляционные материалы; 2)как диэлектрики конденсоторов. В первом случае нужна большое уделное сопротивление и высокое напряжение пробоя. Во втором случае – большая диэлектрическая проницаемость. Из неорганических материалов используют керамические, в основном форфор и стекло. Из органических материалов используют разные полимеры. Лучшие изоляционные свойства
имеют неполярные полимеры (полиэтилен, полистирол, фторопласт). У них ρ = 1014 – 1016 Ом·м, ε = 2 – 2,5 и Uпр = 20 – 40 кВ/мм. У полярных полимерах изоляционные свойства хуже.
Очень хороший диэлектрик – природный минерал слюда.
21. Взаимодействие света с металлами
Маленькая часть света сразу отражается от поверхности металлов. Весь остальный видимый свет, а также радиоволны, инфракрасное и часть ультрафиолетового излучения поглащаются в металлах за счёт того, что в них имеется большое количество пустых электронных уровней немного выше заполненных. Вследствие поглащения фотонов электроны металла возбуждаются
на более высокие пустые уровни (на рис а).
Металлы прозрачны только для рентгеновского и γ-излучения.
Большую часть поглащённого света металлы вновь излучают (на рис b). Длина волны вновь излучённого света такой-же или немного длиннее, т.е с
меньшей энергией (вследствие потери энергии в виде тепла). Это равноценно отражению света. В результате такого процесса отражения металлы имеют серебрянный цвет и высокую способность отражения (отражается 90 – 95 % падающего света), особенно в шлифованном и полированном виде.
Если в металле поглащается часть света в виде тепла, то в спектре отражения меньше коротковолнового света (фиолетового и синего) и цвет такого металла красно-оранжевый, напр медь и золото.
22. 12.4 Цвет прозрачного материала и исползование оптических свойств
материалов
Цвет прозрачного материала со стороны прошедшего света определяется комбинацией длин волн прошедшего через материал света, т.е спектральным распределением прошедшего света. Коэффициент поглащения α в общем зависит от длины волны света. Поэтому свет с разной длиной волны (с разным цветом) поглащается неодинакого и материалы кажутся цветными. Только в случае, если поглащение незначительное или материал поглащает все длины волны
одинакого, материал безцветный. Например чистое стекло, алмаз и сапфир (Al2O3). Если ввести в сапфир ионы хрома Cr3+, то он приобретает красный цвет и получаем рубин.
Для получения цветного стекла в него добавляют примеси, которые вызывают
поглащение света с данным цветом.
Цвет материала со стороны подения света олределяется спектральным распределением оражающего света, т.е зависимостью коэффициента отражения от длины волны. Обычно зависят отражение света и прохаждение света от длины волны одинакого, так что цвет материала со стороны падения света и прошедшего света одинаковое.
Цвет материала с боку определяется спектральным распределением рассейвающего света.Обычно цвет с боку такой-же.
Оптических свойств материалов исползуют например в разных олупроводниковых приборах (светодиоды, солнечные элементы), в лазерах, в люминофорных устройствах, в разных датчиках, в оптических кабельях связи и тд.
12.3.3 Взаимодействие света с полимерами и композитами
В полимерах и композитах имеются обычно кристаллические части с большей n и
некристаллические части с меньшей n. Вследствие этого часть света рассейвается (отражается и преломляется) и поэтому их прозрачность ухудшается.
23. 13.1.1 Теплоёмкость
Истинная теплоёмкость выражается:
dT dQTQC limT 0=Δ=Δ →, где Q – количество тепоты
Теплоёмкость в твёрдом состоянии связана с вибрационной энергией кристаллической решётки и с понижением температуры понижается.Общи вид зависимости CV от температкры без учёта фазовых превращении следуюший:
При низкой температуре С = А·Т3 и при Т→ 0 CV → 0.
При фазовых переходах (изменение модификации крист решётки, плавление, испарение) CV изменяется скачком.
При высоких температурах (выше ӨD – темп Дебая) CV изменяется мало и приближается к 3R. Это происходит уже в газовом состоянии. Из твёрдых материалов наибольшую теплоёмкость имеют полимеры, у керамики и металлов
теплоёмеость меньше. Из металлов теплоёмкость наибольшая у алюминия.
13.1.2 Теплопроводность
Теплопроводность – это способность провести тепла.
Тепловой поток (количество тепла, прошедшее в единице времени через единичную площадь) выражается: Jq = - K·dT/dx, где К – коэффициент теплопроводности и dT/dx – градиент температуры в направлении х.
Перевод тепла теплопроводностью происходит по двум механизмам:
1) переводом вибрационной энергии решётки;
2) переводом энергии свободных электронов.
К можно выразить как состоящии из двух частей:
К = Квибр + Кэл
У металлов основной механизм – перевод энергии свободных электронов. Поэтому у металлов коэффициент теплопроводности пропорционален удельной проводимостью и температурой. Из твёрдых материалов имеют найбольшую теплопроводность металлы. У керамических материалов теплопроводность меньше, но имеются материалы со значительной теплопроводностью, напр алмаз. Найменьшую теплопроводность имеют полимеры, особонно пенопласты. Они хорошие теплоизоляторы.
13.1.3 Тепловое расширение
Линейное расширение выражается:
(T T ) Tllll ll 0 l0 00 = α − = α ⋅ΔΔ=−
где αl – коэффициент линейного расширения.
Объёмное расширение выражается:
ΔV/V0 = αV·ΔT
где αV – коэффициент объёмного расширения.
Чем прочнее химическая связь, тем меньше αl и αV.
Из твёрдых материалов найбольшего расширения имеют полимеры. У металлов расширение меньше, у керамических материалов ещё меньше. Найменьшего расширения имеет плавленный кварц (аморфный SiO2).
24. 13.2.1 Обще понятия. Ферромагнетики
Наружное магнитное поле характеризуется напряжённостью магнитного поля Н.
В случае цилиндрической катушки:
H = n·I/l, А/м
где n – число витков;
I – сила тока в А;
l – длина катушки в м.
Магнитное поле в материале характеризуется магнитной индукцией В:
В = μ·Н, Тл (тесла)
где μ – магнитная проницаемость материала.
Относительная магнитная проницаемость выражается:
μr = μ/μ0,
где μ0 – магнитная проницаемость вакуума.
В зависимости от значения μr материалы разделяются на:
1) ферромагнетики (магнитные материалы), у которых μr >> 1;
2) парамагнетики, у которых μr >≈ 1;
3) диамагнетики, у которых μr