Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы (рис.4). Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы структуры чугуна. Металлическая основа ковкого чугуна следующая: феррит и реже перлит. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении.

 

                                                

Рис.4. Микроструктура ковкого чугуна

с хлопьевидным графитом (не травленый)

 

Ковкий чугун имеет  пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как  при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге, а пониженное содержание кремния  исключает выделение пластинчатого  графита в структуре отливок  при охлаждении.

Толщина сечения отливки  не должна превышать 40…50 мм. При большем  размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит, и  чугун становится не пригодным для  отжига.

Ковкий чугун маркируется  КЧ и цифрами. Первые две цифры  указывают предел прочности при  растяжении и вторые – относительное  удлинение. Например, КЧ 60-3 имеет предел прочности при растяжении 60 кгс/мм² (600 МПа) и относительное удлинение 3%.

Ковкие чугуны применяются  как наиболее удобный и дешевый  материал для мелких изделий сложной  формы, от которых не требуется высокой  прочности и которые вместе с  тем должны отличаться достаточной  вязкостью, способностью противостоять  ударным повторно-переменным нагрузкам, давлению газа, пара, воды и т.п. Из них  часто делают детали сельскохозяйственных машин, текстильных машин, автомобилей, судов и т.п. Применение для таких изделий серого литейного чугуна или стали нецелесообразно, так как серый чугун не дает достаточной прочности, особенно в мелких отливках, сталь же вообще представляет материал, не удобный для мелких отливок вследствие высокоплавкости и плохого заполнения формы. Поэтому ковкий чугун в подобного рода изделиях может быть заменен только отливками из чугуна с шаровидным графитом или из цветных сплавов (главным образом алюминиевых), по сравнению с которыми он представляет преимущественно как более дешевый материал.

 

2. Охарактеризуйте  влияние углерода на свойства  стали

 

Сталь получается из чугуна путем его передела в плавильных печах разного вида с доведением содержания углерода и примесей до требуемого процента. Углерода в стали  должно быть не более 1,7%. Что касается примесей, то они могут быть разнообразными по природе и содержаться в  различных количествах. Например, в  железо и его сплавы всегда попадают такие примеси, как кислород, водород, азот и другие, однако содержание их почти всегда бывает весьма незначительным (сотые доли процента и менее), и  в практике они определяются лишь в специальных случаях.

Обычно же делается определение  только так называемых нормальных примесей, к которым относят Si, Mn, P и S. К ним  следует отнести и кислород, который  хотя и не определяется обычно наряду с указанными четырьмя элементами, но весьма часто наблюдается в  структуре в виде соединений –  окислов. При этом, для того чтобы  эти элементы явились именно примесями  и не для того чтобы эти элементы являлись именно примесями и не играли роли компонентов, образующих легированные стали, нужно, чтобы их содержание не превышало следующих количеств:

 

 

Эти технические стали  и называют простыми углеродистыми  в отличие от легированных. Более  высокая концентрация этих элементов  характерна для специальных сталей, в которых некоторые их этих элементов  присутствуют в большем количестве или к которым умышленно добавлены  другие легирующие элементы.

Влияние углерода. Структура  стали после медленного охлаждения состоит их двух фаз – феррита  и цементита. Количество цементита  возрастает в стали прямо пропорционально  содержанию углерода.

Например, при содержании в стали 0,37% С количество цементита  составляет 5,0%, при 0,7 С – 10% (рис.5,б) и при 2,0%С достигает 30%. Как указывалось выше, твердость цементита HV 800…850) во много раз больше твердости феррита (HV 80…90).

Твердые и хрупкие частицы  цеминтита повышают сопротивление  деформации, и, кроме того, они уменьшают  пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением содержания в стали углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести  и уменьшаются относительное  удлинение, относительное сужение  и ударная вязкость (рис. 5,а).

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в  хладноломкое состояние. Каждая 0,1% С  повышает температуру порога хладноломкости в среднем на 20⁰С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

При содержании в стали  углерода свыше 1,0…1,1% ее твердость  в отожженном состоянии возрастает, а предел прочности уменьшается. Последнее объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита, образующего в сталях указанного состава сплошную сетку. При испытании на растяжение в этой сетке возникает высокие напряжения, и цемент, будучи хрупким, разрушается. Это приводит к преждевременному разрушению образца и соответственно к снижению предела прочности.

 

                 

                                      а                                          б

Рис.5. Влияние углерода на механические свойства стали (а)

и количество фаз, присутствующих в ней (б)

 

 

 

3. Опишите основные  применения полимерных материалов

 

Основу термопластичных  полимеров составляют полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, выше 60…70⁰С начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более теплостойкие структуры могут работать до 150…250⁰С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400…600⁰С.

Полиэтилен (-CH₂ – CH₂-)_n – продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55…65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74…95%.

Недостатком полиэтилена  является его подверженность старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы (2…3% сажи замедляют процессы старения в 30 раз). Под действием ионизирующего  излучения полиэтилен твердеет, приобретает  большую прочность и теплостойкость. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых  деталей, пленок, он служит покрытием  на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока.

Полипропилен (-CH₂ – CHCH₃-)_n – продукт полимеризации пропилена. Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Недостатком полипропилена является его невысокая морозостойкость (от -10 до -20⁰С). Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол (-СН₂ – СРС₆Р₅-)_n – твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. По сравнению с другими термопластами полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин.

Ударопрочный полистирол представляет собой блоксополимер  стирола с каучуком (УПС). Такой  материал имеет в 3-5 раз более  высокую ударную вязкость и в 10 раз более высокое относительное  удлинение по сравнению с обычным  полистиролом. Высокопрочные АБС-пластики (акрилонитрилбутадиентирольные) отличаются повышенной химической стойкостью и светотермостабильностью. Однако такие сополимеры имеют более низкие диэлектрические свойства по сравнению с чистым полистиролом.

Из полистирола изготавливают  детали для радиотехники, телевидения  и приборов, детали машин, сосуды для  воды и химикатов, пленки для электрической  изоляции.

Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером с химической формулой мономерного звена: (-СН₂ – CHCI-)_n. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую механическую прочность и упругость. Из винипласта изготавливают трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные гальванические ванны. Недостатками этого материала являются низкая длительная прочность и низкая рабочая температура под нагрузкой (не свыше 60…70⁰С), большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах (t_xp=-10⁰C).

Полиуретаны содержат уретановую группу –NH – COO-. Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность, им присуща высокая атмосферность и морозостойкость (-60…-70⁰С). Верхний температурный предел составляет 120…170⁰С (при высокой влажности – до 100-110⁰С). Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов.

В зависимости от исходных веществ, применяемых при получении  полиуретанов, они могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термоактивными. Из полиуретана вырабатывают пленочные  материалы и волокна, которые  малогигроскопичны и химически  стойки.

Полиэтилентерефталат –  сложный полиэфир, выпускается под  торговыми названиями лавсан, майлар, терилен. Полиэтилентерефталат имеет  хорошую морозостойкость (-70⁰С) и теплостойкость (температура плавления 255…257⁰С). Полиэтилентерефталат является диэлектриком и обладает сравнительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Политетрафторэтилен (-CF₂ – CF₂-)_n (фторопласт-4, фторлон-4, тефлон) является аморфно-кристаллическим полимером. До температуры 250⁰С скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт-4 можно до температуры 250⁰С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415⁰С. Аморфная фаза находится в высокоэластичном состоянии, что придает форопласту-4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до -269⁰С) полимер не охрупчивается. Фторопласт-4 обладает необычайно высокой химической стойкостью. Он устойчив к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Фторопласт-4 обладает очень низким коэффициентом трения (f=0,04), который не зависит от температуры (до 327⁰С). Фторопласт-4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных в машиностроении. Недостатком является его хладотекучесть.

К полярным пластмассам относятся  фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиакрилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 (фторлон-3) –  полимер трифторхлорэтилена, имеет  формулу (-CF₂ – CFCI-)_n. Фторопласт-3, медленно охлажденный после формования, имеет кристалличность около 80…85%, а закаленный – 30…40%. Интервал рабочих температур от -105 до 70⁰С. При температуре 315⁰С начинается термическое разрушение. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия метало и др.

Органическое стекло –  это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой  и метакриловой кислот. Чаще всего  применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2 раза легче  минеральных стекол (1180кг/м³), отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92%), пропускает 75% ультрафиолетового излучения. При температуре 80⁰С органическое стекло начинает размягчаться, при температуре 105…150⁰С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из него изготавливают светотехнические детали, оптические линзы и др.

Полиамиды – это группа пластмасс с торговыми названиями капрон, нейлон, анид и др. При одноосной  ориентации получаются полиамидные  волокна, нити, пленки. Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имеют низкий коэффициент  трения (f<0,05), продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготавливают шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы и др. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов. К недостаткам полиамидов относится некоторая гигроскопичность и подверженность старению вследствие окисляемости (особенно при переработке смол). Водопоглощение зависит от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75% (полиамид А-12) до 11…12% (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов к свету повышается введением стабилизатора, а антифрикционные свойства – введением наполнителя – графита и др.

Поликарбонат – сложный  полиэфир угольной кислоты, выпускается  под торговыми названиями дифлон, ПК, лексан, макролон. Это кристаллический  полимер, которому при плавлении и последующем охлаждении можно придать аморфную структуру. Такой материал становится стеклообразным и прозрачным. Свойства поликарбонатов своеобразны: им присущи гибкость и одновременно прочность и жесткость. Отличаются высокой ударной вязкостью. При длительном нагреве, вплоть до температуры размягчения, образцы сохраняют свои размеры и остаются эластичными при низких температурах. Из поликарботана изготавливают шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали и т.д. Его можно использовать в криогенной технике для работы в среде жидких газов.