МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

И. З. ШАРИПОВ

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Уфа 2008

УДК 669: 661.3 (07)

ББК 34.2 (я7)

Ш25

 

 

Рецензенты:

 

д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИПСМ РАН Пшеничнюк А.И.

 

д-р физ.-мат. наук, проф. каф. общей физики БашГУ Балапанов М.Х.

 

Ш25

Материаловедение: учебное пособие / И. З. Шарипов

Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.– Уфа, 2008.– 94 с.

ISBN

 

Изложены основы строения и физики электрических явлений неметаллических материалов: диэлектриков и полупроводников, рассмотрены механические свойства различных конструкционных материалов, металлических и неметаллических.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей вечерней и заочной формы обучения.

 

Табл. 15. Ил. 59. Библиогр. 21 назв.

 

 

УДК 669: 661.3 (07)

ББК 34.2 (я7)

 

ISBN

Уфимский государственный

авиационный технический университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВведЕние.. 5

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ... 7

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ.. 9

Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле. 11

Электропроводность диэлектриков. 12

Поляризация диэлектриков. 14

Диэлектрические потери. 21

Пробой диэлектриков. 27

Контрольные вопросы.. 32

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ.. 33

Собственные полупроводники. 34

Примесные полупроводники. 35

Применение полупроводников. 38

Контрольные вопросы.. 44

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.. 45

2.1. Диаграмма растяжения. 45

2.2. Твердость. 48

2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла. 50

Контрольные вопросы.. 52

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов 53

3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла53

3.2. Холодная и горячая деформации. 57

3.3. Термическая обработка металлов. 59

3.4. Химико-термическая обработка металлов. 62

3.5. Поверхностная пластическая деформация. 67

Контрольные вопросы.. 68

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ... 70

4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам70

4.2. Сплавы железа с углеродом... 74

Стали. 75

Контрольные вопросы.. 79

 

 

4.3. Цветные металлы и сплавы... 80

Медные сплавы.. 80

Алюминиевые сплавы.. 82

Магний и его сплавы.. 84

Титан и его сплавы.. 84

Контрольные вопросы.. 85

4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ конструкционные материалы... 86

Химический состав. 86

Строение полимеров. 87

Свойства полимеров. 91

Полимеры с наполнителями. 93

Эффективность применения полимеров. 93

Контрольные вопросы.. 94

4.5. Неорганические конструкционные материалы... 95

Графит. 95

Стекло. 97

Ситаллы.. 99

Керамика. 101

Контрольные вопросы.. 104

4.6. Композиционные материалы... 105

Дисперсноупрочнённые композиционные материалы.. 105

Волокнистые композиционные материалы.. 106

Контрольные вопросы.. 109

Список литературы.. 110

 

ВведЕние

 

 

Умение находить и использовать материалы является важнейшим условием развития человечества. Поэтому неслучайно разные периоды его развития носят названия по тому материалу, который освоил человек. Первоначально это были природные материалы: дерево и камень, из которых изготавливали орудия труда и оружие: палки, топоры, стрелы и пр.. Этот период получил название «каменный век». Его сменил «бронзовый век», когда люди научились выплавлять медь. Затем пришёл «железный век», когда повсеместно распространилось железо. Двадцатый век часто по праву называют «веком стали».

За многовековую историю своего развития человек научился создавать и использовать огромное количество различных материалов и веществ. Их к настоящему времени уже известно более 20 миллионов. Каждый материал обладает своими уникальными свойствами: тепловыми, механическими, электрическими, магнитными и др. Часто возможность создания того или иного технического устройства – самолета , подводной лодки, компьютера и др. –определяется свойствами имеющихся в распоряжении конструкторов материалов. Поэтому потребности науки, техники, производства в новых материалах всё более возрастают. Ориентироваться во всём этом многообразии невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры, термической обработки и т.д. Изучение и выявление таких закономерностей является задачей обширной науки – материаловедения.

Данное учебное пособие является изложением курса материаловедения, предназначенного для студентов электротехнических специальностей, поэтому в первую очередь рассматриваются электрические свойства материалов. Первая часть курса, посвященная свойствам металлов и сплавов, изложена в книге [1]. В этом учебном пособии продолжено рассмотрение основных электрических свойств и процессов в неметаллических материалах: диэлектриках и полупроводниках. Во второй главе уделено внимание механическим свойствам материалов и способам их измерения. В третьей главе – процессам, происходящим при нагреве металлов, их термической и химико-термической обработке. Четвёртая глава посвящена различным конструкционным материалам: металлическим – неметаллическим, органическим, неорганическим, компо­зи­ционным.

Для закрепления усвоения материала в конце тематических разделов приведены контрольные вопросы.

 

 

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех… С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники,… Проводники – это вещества, в которых имеется большое количество свободных носителей заряда, то есть заряженные…

Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле

При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре основных процесса: 1) Электропроводность; 2) Поляризация;

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

, (1) где g – проводимость, n – концентрация носителей, g – величина заряда… На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала, температура среды, облучение материала светом…

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в… Рассмотрим диэлектрик, помещенный между обкладками конденсатора (рис.5.).… . (4)

Электронная поляризация

При помещении диэлектрика в электрическое поле положительно заряженное ядро смещается по полю, а отрицательно заряженные электроны – против поля.… Данный механизм называют электронной поляризацией, поскольку происходит…

Ионная поляризации

Если вещество поместить в электрическое поле, положительные ионы начнут смещаться вдоль поля, отрицательные – против поля. Тогда на поверхности…

Дипольная поляризация

 

Спонтанная поляризация

При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов… Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы, суммарный эффект… При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости…

Активные диэлектрики

Электреты. Другим примером являются электреты. По английски «electret» пишется аналогично «magnet» – магнит В этих материалах поляризованное… Пироэлектрики– обладают способностью поляризоваться под действием нагрева или… Пьезоэлектрики –диэлектрики, в которых под действием механической нагрузки возникает электрическая поляризация (кварц,…

Диэлектрические потери

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис. 11. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой: W=U× I× cos α , (8) где U – напряжение и I – ток на участке цепи, – a сдвиг фаз между ними.

Зависимость тангенса угла потерь от температуры

Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в…   Для неполярных

Зависимость тангенса угла потерь от частоты

Для неполярных

В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну сторону, а затем вторую половину периода – в противоположную сторону. С… Вид графика частотной зависимости tgd неполярного диэлектрика приведен на рис.…

Для полярных

Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на резонансных частотах увеличивает общие потери и ограничивает применение полярных…    

Пробой диэлектриков

Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других… По природе и механизму протекания процесса различают пробой: 1. Электрический (искры, молнии) – который происходит в сильных электрических полях, протекает практически мгновенно…

Электрический пробой

В исходном состоянии диэлектрик не проводит электрический ток, так как в нем ничтожно мало свободных зарядов, которые могли бы перемещаться в… Для этого рассмотрим диэлектрик, помещенный в электрическое поле рис.19. Если… Время, в течение которого частица разгоняется и двигается без столкновений, называется временем релаксации τ, а…

Электротепловой пробой

Рассмотрим графики зависимостей мощностей выделяющейся и отводящейся теплоты от температуры диэлектрика рис.21. Мощность теплоотвода – это линейная… Если в первоначальном состоянии температура диэлектрика была комнатная, то… Вторая точка равновесия – точка В, однако это точка неустойчива. Выше этой точки мощность тепловыделения больше…

Электрохимический пробой

В зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды в одном и том же материале могут происходить разные виды пробоев. Например, при росте…  

Кривая жизни диэлектрика

 

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют диэлектрическими?

2. Где их применяют?

3. Перечислите типы химических связей в диэлектриках.

4. Какие процессы происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле?

5. Что происходит при поляризации?

6. Каковы механизмы поляризации?

7. Отчего зависит электропроводность диэлектрика?

8. Чем характеризуются диэлектрические потери?

9. Какие виды пробоя происходят в диэлектриках?

10. Что происходит при электрическом пробое?

 

 

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ

 

У полупроводников энергетическая щель Е_g между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии, большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис. 24).

Для возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д.

Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия E_g = 0,66 эВ; кремния E_g = 1,12 эВ; арсенида галлия E_g = 1,43 эВ.

У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников.

Проводимостьs_e, обусловленная подвижными электронами, равна

σ_e=n_eqμ_e, (15)

где n_e – концентрация свободных электронов, – подвижность электронов.

Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка.

Дырочную проводимость s_p можно вычислить по формуле:

σ_p=n_pqμ_p, (16)

где n_p – концентрация дырок, – подвижность дырок.

В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением:

 

, (17)

, (18)

где N_e0 и N_p0 – константы, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей

σ = σ_e+ σ_p. (19)

 

 

Собственные полупроводники

При абсолютном нуле температуры валентная зона полупроводника укомплектована полностью, а зона проводимости – незаполнена, пустая. Поэтому при… Однако с повышением температуры, вследствие термического воз­буждения… Таким образом, в собственных полупроводниках концентрация электронов равна концентрации дырок

Примесные полупроводники

Роль примесей могут играть дефекты кристаллической решетки – вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины. В зависимости от рода примесных атомов различают донорные и акцепторные…

Применение полупроводников

Полупроводники обладают разнообраз­ными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и… В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок,… Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью.

Полупроводниковый диод

Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой , (27) где U – приложенное напряжение, q – заряд носителей, Т – абсолютная температура.

Стабилитрон

 

Варикап

~. (28) Рассмотрим схему такой структуры (рис. 30 а). Здесь между двумя проводящими… (29)

Светодиод

Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов. Современные информационные табло, мониторы,…  

Фотодиод

Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный… Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы.… С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения,…

Терморезистор

n = n0×exp(–Eg/kT). Чем выше температура, тем больше концентрация свободных носителей, а значит… σ= nqμ.

Фоторезистор

При облучении светом энергия фотонов передается электронам, и они могут переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше… Эти приборы применяются в устройствах автоматического включения фонарей,…  

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют полупроводниками?

2. Каково строение энергетических зон полупроводников?

3. Для чего легируют полупроводники?

4. Где их применяют?

5. Приведите примеры электронных устройств на основе полупроводников.

 

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

2.1. Диаграмма растяжения   Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрики, проводники. Для…

Контрольные вопросы

1. Как характеризуют механические свойства материалов?

2. Какие участки выделяют на диаграмме растяжения?

3. В чём отличия диаграмм хрупких и пластичных материалов?

4. Что такое твёрдость материала?

5. Как определяют твердость?

6. Как она связана с прочностью?

7. Почему прочность реальных кристаллов в сотни раз меньше прочности, рассчитанной для идеальных кристаллов?

8. Каково влияние дислокаций на прочность кристаллов?

 

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

  При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на… Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на два основных: возврат и рекристаллизацию; оба сопровождаются…

Рекристаллизация

Пластически деформированные ме­таллы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой пре­вышает определенное критическое зна­чение,… Наименьшая темпера­тура нагрева, обеспечивающая возмож­ность зарождения новых… Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на…

Цементация

При этом у металла увеличивается твердость поверхности, но в то же время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное… Цементация проходит при условиях: температура t = 900–950 ˚C

Азотирование

2NH3 → 2N + 3H2 Условия протекания процесса : t = 500 – 650 ˚C

Нитроцементация

Условия протекания процесса: t = 840 – 860 ˚C τ = 4 – 10 ч

Цианирование

Условия протекания процесса: t = 820 - 920 ˚C τ = 0,5– 1 ч

Борирование

Борирование – процесс насыщения поверхности металла бором В. Образующиеся соединения с металлом – бориды, очень твердые вещества. Борирование увеличивает твердость и износостойкость от 2 до 10 раз. Такой обработке подвергают трущиеся детали , штамповый инструмент, подвергающийся большим нагрузкам.

Силицирование

Это процесс насыщения металла кремнием Si. Образующиеся силициды железа имеют пористую структуру и невысокую твердость. Однако слой толщиной 0,3–1 мм на поверхности детали после пропитки маслом резко снижает трение и повышает износостойкость. Кроме того повышается коррозионная стойкость к воздействию морской воды и окислению.

 

Диффузионная металлизация

В зависимости от рода металла процессы называют алитирование Al, хромирование Cr, цинкование Zn и т.д. В результате металлизации повышается…   3.5. Поверхностная пластическая деформация

Дробеструйный наклеп.

 

Центробежный шариковый наклеп.

  Накат (выглаживание) Принцип обработки заключается в следующем. Стальной шарик или алмазный инструмент с силой вдавливается в поверхность…

Контрольные вопросы

1. Какие процессы протекают в деформированном металле при нагреве?

2. Что такое рекристаллизация?

3. Как изменяются механические свойства металлов после рекристаллизации?

4. При каких условиях происходит горячая деформация?

5. Какие основные виды термической обработки металлов?

6. Цель отжига металлов.

7. Методы закалки металлов.

8. Этапы химико-термической обработки.

9. Каковы цели химико-термической обработки?

10. Закономерность изменения толщины диффузионного слоя от длительности процесса.

 

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам Конструкционными называют мате­риалы, предназначенные для изготовления деталей… Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных…

Критерии оценки конструкционной прочности материалов

Критерии прочности материала выби­рают в зависимости от условий его ра­боты. Критериями механической прочности при стати­стических нагрузках… Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким мо­дулем… Возможно и противоположное требо­вание. Для пружин, мембран и других упругих элементов при­боров, наоборот, важно…

СТАЛИ

Существует огромное количество марок сталей с разнообразными свойствами. В СССР их выпускалось более 2000 марок. Перечисление их характеристик занимает 20 томов. Из-за такого разнообразия свойств сталь стала основным конструкционным материалом, который отвечает предъявляемым требованиям машиностроения, промышленности и строительства. Не зря XX век к называют веком стали.

Стали классифицируют по различным признакам: по назначению, химическому составу, качеству и т.д. (рис. 53). Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей.

 

Углеродистая сталь

По ГОСТууглеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. Степень… Например, Ст3КП – сталь обыкновенного качества, марки 3, кипящая. Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др.

Углеродистые инструментальные стали

Они являются высокоуглеродистыми сталями, обладающими высокой твердостью, износостойкостью. Они предназначены для изготовления режущего, штампового, измерительного инструмента. Такая сталь маркируются первой буквой У, и далее идут цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента. Для высококачественных сталей в конце ставится буква А.

Например, У10А – углеродистая инструментальная сталь, содержание углерода 1,0% , высококачественная.

Легированные стали

Рис. 53. Классификация сталей  

Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами?

2. Какие фазы входят в состав сталей?

3. По каким признакам классифицируют стали?

4. Как маркируют углеродистые стали обыкновенного качества?

5. Цели легирования сталей.

6. Маркировка легированных сталей.

 

 

4.3. Цветные металлы и сплавы

 

В предыдущей лекции мы рассматривали сплавы на основе железа, которые называют черными металлами. Все другие металлы (медь, алюминий и др.) и сплавы на их основе называют цветными.

Цветные металлы обладают многими ценными качествами, например, такими как хорошая электропроводность, теплопроводность, легкость и др., которые используются в различных применениях.

 

Медные сплавы

Его недостаток – он плохо режется. Кроме того, это тяжёлый металл, его плотность 8,9 г/см3. (Для сравнения, у железа плотность 7,8 г/см3) По технологическим свойствам мед­ные сплавы подразделяют на деформи­руемые… Так как чистая медь мягкая, поэтому, как правило, медь применяется в сплавах с другими элементами: Zn, Sn, Al, Be, Si,…

Алюминиевые сплавы

Чистый алюминий мягкий, но его сплавы имеют хорошую прочность и твердость. Поэтому в основном используется в виде сплавов. Дешевле меди, из-за чего… Используется в судостроении и авиапромышленности для изготовления корпусов,… Свойства алюминия и некоторых его сплавов приведены в табл. 8.

.

Таблица 8.

Механические свойства алюминиевых сплавов 8

	σв , МПа	δ, %	НВ , МПа
Литой Al
AМц (1% Mn)
AMг6 (6% Mg)
Д16
В95
В96

 

 

Легирование алюминия позволяет значительно повысить механические свойства. Так сплав АМг6, содержащий 6% примеси магния, имеет твердость и прочность 5-7 раз выше, чем у чистого алюминия. По механическим свойствам этот сплав близок к углеродистой стали, но легче его почти в 3 раза.

По соотношению прочности и плотности вычисляют удельную прочность материала:

, (44)

где s_в – предел прочности , r – плотность материала, g – ускорение свободного падения.

Она имеет размерность длины. По этому параметру алюминиевые сплавы находятся на уровне высокопрочных легированных сталей s_уд = 23 км (для легированных сталей s_уд = 27 км).

Немецкий физик Альфред Вильм, живший в городе Дюрен, изучал свойства алюминиевого сплава, легированного медью, магнием и марганцем. Для повышения прочности сплав закаляли, но опыты не давали желаемого результата. Помог случай. Однажды нерадивый лаборант не сделал вовремя измерений свойств образцов, просто забыв о них, и вернулся к измерениям только через неделю. Каково же было удивление ученых, когда обнаружили значительное увеличение прочности забытых образцов. Теперь этот процесс называют старением. А найденный сплав получил название дюралюминий, в честь родного города Вильма.

Теперь этот сплав широко применяется. В таблице приведены примеры свойств дюралюминия марки Д16, высокопрочного дюралюминия марок В95, В96. При очень высокой прочности эти сплавы сочетают легкость алюминия.

Другой сплав алюминия с кремнием называется силумин. Он даже легче чистого алюминия, его плотность 2,65 г/см³. Это хороший литейный сплав, из которого изготавливают корпуса насосов, компрессоров, картеры двигателей, теплообменники и пр.

 

Магний и его сплавы

Свойства магниевых сплавов МА5, МЛ5 приведены в табл. 9.    

Титан и его сплавы

Свойства титана и его сплавов приведены в табл. 10.   Таблица 10.

Контрольные вопросы

1. Какие металлы называют цветными? Приведите примеры.

2. Охарактеризуйте общие свойства медных сплавов.

3. Каковы свойства и области применения алюминиевых сплавов?

4. Каковы особенности магниевых сплавов?

5. Области применения алюминиевых сплавов?

 

4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ конструкционные материалы

Неметаллическими материалами называют обширный класс веществ с неметаллическим типом химической связи между атомами, т.е. с ковалентной, ионной и поляризационной связями. По своим свойствам они кардинально отличаются от металлов, поэтому их выделяют в отдельную группу. По молекулярному строению они подразделяются на органические и неорганические материалы. К органическим материалам относятся разнообразные пластмассы, резины, компаунды, дерево , к неорганическим – стекло, графит, оксиды металлов и др.

 

Химический состав

В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из… Полимеры обладают рядом ценных свойств, которые обуславливают их все более… Существенный недостаток большинства органических материалов – их горючесть. Но в последнее время созданы практически…

Строение полимеров

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся… Из-за такого строения полимеров обладают малой плотностью и прочностью по… Полимеры различают по структуре молекул (рис. 54):

Термомеханическая кривая полимера

При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину. При нагреве деформация будет увеличиваться. Чем выше… На графике зависимости можно выделить три основных участка (рис. 55),… 1. Стеклообразное состояние (СС) – на этом участке полимер деформируется на небольшую величину и ведет себя как…

Свойства полимеров

Рассмотрим общие свойства некоторых распространенных полимерных материалов (табл. 11).

Термопласты

Полипропилен– продукт полимеризации пропилена, структура (–С2Н4–СН2–)n . За счет бокового ответвления молекулы прочнее полиэтилена, более… Полистирол – полимер со структурой (–СН(С6Н5)–СН2–)n, линейная цепочка с… Политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) – полимер со структурой этилена, в котором атомы водорода заменены на…

Реактопласты

Эпоксидные смолы затвердевают при реакции со специальными добавками, называемыми отвердителями. Для этого не требуется нагрева, поэтому они стали…

Полимеры с наполнителями

Гетинакс состоит из слоев бумаги, пропитанных и склеенных фенолформальдегидной смолой. Он обладает достаточной прочностью и хорошими… Текстолит состоит из слоев хлопчатобумажной ткани, пропитанных и склеенных… Стеклотекстолит получается так же как текстолит, но в качестве наполнителя берется стеклоткань. Вследствие чего резко…

Эффективность применения полимеров

 

Контрольные вопросы

1. Каковы основные элементы, входящие в состав органических материалов?

2. Структура молекул полимеров.

3. Термомеханические кривые полимеров.

4. Приведите примеры термопластов.

5. Каковы характерные свойства реактопластов?

6. Перечислите цели использования наполнителей полимеров.

7. Перечислите преимущества при применении полимерных материалов.

 

4.5. Неорганические конструкционные материалы

Примерами неорганических материалов являются графит, стекло, керамика, оксиды металлов и неметаллов и т.п. В их состав могут входит практически все элементы периодической системы Менделеева и всевозможные их соединения. Среди положительных качеств неорганических материалов можно назвать тепло- и химическую стойкость, высокую твердость и прочность, неорганические материалы обычно негорючи, многие огнеупорны, в отличие от органических материалов не подвержены старению. Но в то же время эти материалы, как правило, хрупкие, «боятся» резких скачков температур, довольно плотные, и прочность на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. Рассмотрим подробнее свойства некоторых неорганических материалов.

Графит

Графит – это материал состоящий из атомов углерода С, которые образуют слоистый кристалл (рис. 56.). Четыре электрона на внешней оболочке углерода образуют три ковалентные связи и одну металлическую. Прочные ковалентные связи объединяют атомы в атомные плоскости. Вследствие этого прочность кристалла графита вдоль этих атомных плоскостей очень высокая. Между собой атомные плоскости связаны слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами. Отсюда прочность графита перпендикулярно атомным плоскостям весьма малая. Одна металлическая связь придает ему хорошую электропроводность.

Такое необычное строение кристалла приводит к очень интересным сочетаниям свойств графита. Он сильно анизотропен: длина ковалентной связи , а расстояние между атомными плоскостями намного больше и составляет . Вследствие прочности ковалентных связей температура плавления графита чрезвычайно высока . Графит является абсолютным рекордсменом термостойкости среди всех существующих материалов. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех физических свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях.

Графит встречается в природе в естественном виде, а также получается искусственным путем (технический и пиролитический графит). Потребительские качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, непрочен, его свойства почти изотропны. Используется только в качестве антифрикционного материала. Более чистый технический графит получают из нефтяного кокса и каменноугольного пека при нагреве до температуры . Степень анизотропии его свойств достигает значения 3:1. Ещё более качественный графит получают в результате реакции пиролиза углеводородов (метана). Атомы углерода осаждаются на нагретых до температуры поверхностях, изготовленных из технического графита или керамики. После охлаждения и кристаллизации получается пиролитический графит. В этом случае степень анизотропии свойств достигает значения 100:1 и более. Его свойства приведены в табл. 12.

Таблица 12.

Свойства пиролитического графита

			a , 10–6 1/К
Растяжение	Сжатие
	//		//		//		//
2000–2200	–							0,023

 

где r – плотность, s_в – прочность, l – коэффициент теплопроводности, a – коэффициент теплового расширения.

 

Как видно, один и тот же материал обладает совершенно разными свойствами по разным направлениям. Например, если его сориентировать перпендикулярно атомным слоям, то это будет теплоизолятор, а если параллельно – теплопроводник.

Проводящие свойства графита используются при изготовлении из него щеток электродвигателей, генераторов. Теплостойкость – при изготовлении сильно нагревающихся деталей конструкций летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах. Из-за малого коэффициента трения графит используют в качестве антифрикционного материала, твердой смазки, которая сохраняет свойства при высоких температурах и при сильном охлаждении. Прочные углеграфитовые волокна добавляют в качестве наполнителя в композиционные материалы.

Стекло

Стекло представляет собой затвердевший высоковязкий раствор оксидов кремния (Si), бора (B), фосфора (P) и других элементов. Кроме того, для придания дополнительных качеств в состав стекла добавляют металлы и их оксиды: Na, K, Al, Fe, Pb и др. Важнейшим отличительным качеством стекла является его прозрачность.

Стекло, в отличие от кристалла, имеет беспорядочную структуру, которую называют аморфным состоянием (рис. 57). При нагреве стекло плавится не сразу, а постепенно, размягчаясь все больше и больше, вплоть до жидкого состояния. Т.е. переход из твердого состояния в жидкое происходит в широком температурном интервале. При температуре ниже t_c , называемой температурой стеклования, аморфный материал ведёт себя как хрупкое твердое тело. При превышении температуры t_c стекло переходит в вязкое пластичное состояние. В таком состоянии проводят формовку стеклянных изделий на производстве. При дальнейшем повышении температуры выше t_р , называемой температурой размягчения, стекло уже переходит в жидкое состояние.

Обычное стекло, которое часто встречается в повседневной жизни, в основе состоит из оксида кремния () , и поэтому называется силикатным стеклом. Рассмотрим его свойства. Для силикатного стекла температура стеклования , температура размягчения .

Стекло выпускают различное по химическому составу и по свойствам. В зависимости от назначения различают стекло техническое, строительное и бытовое. Технические стёкла идут на изготовление оптических приборов, линз, отражателей, подложек, химической лабораторной посуды, труб, светотехнических приборов и пр. Из строительного делают оконные стекла, витрины, стеклоблоки, облицовку. Из бытового стекла производят всевозможную посуду, стеклотару, бытовые зеркала и пр. Механические свойства, характерные для стёкол, приведены в табл. 13.

Таблица 13.

Механические свойства стекол

		Твердость по Моосу		Термостой-кость,
Растяжение	Сжатие
2200 – 6500	30-40	500-2000	5-7 (10 у алмаза)		90-170

Ввиду того, что прочность на растяжение сильно отличается от прочности на сжатие, изготавливают так называемое закаленное стекло. Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше температуры стеклования и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. За счет закалки поверхностные слои испытывают сжимающие напряжения, из-за чего прочность стекла увеличивается в 3–6 раз. Его применяют, например, для изготовления стёкол автомобиля. Если лобовое стекло будет сделано из простого стекла, то при аварии стекло разобьется на крупные части, и каждая из них острыми краями будет срезать все на своем пути. Если же поставить закаленное стекло, то при аварии оно распадается на мелкие осколки из-за больших напряжений на поверхности. В результате мелкие осколки нанесут намного меньше вреда. Сегодня при изготовлении лобовых стекол применяют два закаленных стекла, между которыми находится слой полимера, который не дает разлететься в разные стороны осколкам стекла. Такое безопасное стекло называют триплекс.

Производят стекло также в виде волокон – стекловата. Это отличный теплоизолятор, которые выдерживает нагрев до 400^оС, не боится сырости, грызунов, паразитов. Стекловату применяют для тепло– и шумо– изоляции кабин самолетов, кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, ею теплоизолируют различные трубопроводы и т. д.

Стекло с добавками оксида свинца получается очень плотным 8000 кг/м³ , оно не пропускает рентгеновское и g– излучение. Из него делают смотровые окна для рентгеновских аппаратов, манипуляторов для работы с радиоактивными препаратами. Примесь оксида железа придает стеклу способность поглощать инфракрасное излучение, такое стекло необходимо для работы в горячих цехах, литейных и прокатных производствах.

Необычны свойства так называемого кварцевого стекла, которое состоит из чистого оксида кремния SiO₂ . Оно имеет аномально низкий коэффициент теплового расширения 0,5×10^–6 1/К . Вследствие этого кварцевое стекло обладает огромной термостойкостью. Под этим свойством подразумевают способность материала выдерживать перепады температуры при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол это около 100^оС, а у кварцевого 800–1000 ^оС. Кроме того, оно характеризуется высокой химической стойкостью, поэтому из него изготавливают лабораторную посуду, тигли для плавки металлов, формы для точного литья.

 

Ситаллы

Ситаллы подразделяют на фотоситаллы и термоситаллы. Фотоситаллы кристаллизуются под действием света. Они чувствительны к свету, соответственно, там,… Механические свойства ситаллов весьма высоки (табл. 14). Таблица 14.

Керамика

Кристаллическая фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств. Аморфная фаза в количестве 1—10 % находится в керамике в виде прослоек стекла,… Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По количеству этой фазы керамику подразделяют на…

Керамика на основе оксидов

Корундовая керамика (на основе А12О3) обладает чрезвычайной проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах. По прочности корунд занимает…    

Бескислородная керамика

Карбиды. Широкое применение получила керамика из карбида кремния — карборунд (SiC). Он обладает полупроводниковыми свойствами, высокой… Карбид бора B4C – легкий и прочный материал, используется как керамическая… Силициды тоже полупроводники, отличаются окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Например,…

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры неорганических материалов.

2. Каков основной химический состав силикатного стекла?

3. Свойства стекла.

4. Что такое ситаллы?

5. Какие материалы называют керамикой?

6. Каков фазовый состав керамики?

4.6. Композиционные материалы

Композиционными называют материалы, состоящие из двух (и более) разнородных материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.

Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

У металлических КМ предел за счет упрочнения прочность повышается на 50-100% , увеличиваются модуль, упругости и жесткость, жаропрочность… В качестве примера рассмотрим широко приме­няемый спеченный алюминиевый… Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой температуре под давлением. Частицы порошка…

Волокнистые композиционные материалы.

В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных материалов: 1. Однонаправленные – волокна укладываются вдоль одного направления. 2. Сотканные – волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в ткани..

Бор – алюминий

Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна – это прочный материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный композиционный материал. С пределом прочности σ_в = 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий.

Алюминий – сталь

Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σ_в = 1600 МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали.

Никель-вольфрам

Никель – матрица, вольфрамовая нить – армирующий материал. Это жаростойкий материал. Имеет прочность σ_в = 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.

Углепласт

Углеродные волокна , которые пропитываются связующим – полимерной смолой.

После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σ_в = 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см³, легче алюминия, сохраняет прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ºС .

Борноволокнистые материалы

Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более широко используется в самых разнообразных областях. Это современные…    

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют композиционными?

2. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов.

3. Принципы упрочнения волокнистых материалов.

4. Способы укладки волокон.

5. Каковы преимущества композиционных материалов?

6. Приведите примеры композиционных материалов.

 

 

Список литературы

 

 

1. И. З. Шарипов, Физика металлов: учебное пособие для студентов вузов – Уфимский гос.авиац.техн. ун-т, Уфа, 2005 – 89 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов вузов. Под ред. В. С. Чередниченко. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с.

3. С. Н. Колесов, И. С. Колесов, Материаловедение и технология конструкционных материалов : учебник для студентов вузов. — М.: Высшая школа, 2007 .— 536 с.

4. Материаловедение: учебник для высших техни­ческих учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др. Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.– М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с.

5. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г. П. Фетисова. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с.

6. М. В. Белоус, Физика металлов: учебное пособие для студентов вузов. – Киев: Вища школа, 1986.– 343с.

7. С. С. Ермаков, Физика металлов и дефекты кристаллического строения: учебное пособие для студентов вузов. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.– 271с.

8. Г. И. Епифанов, Физика твердого тела: учеб. пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1977. – 288 с.

9. И. И. Новиков, Дефекты кристаллического строения металлов: учеб.пособие для вузов.– М.: Металлургия, 1983 . – 232 с.

10. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2005. – 288 с.

11. С. В. Ржевская, Материаловедение: учебник для вузов.– М.: Логос, 2004. – 424 с.

12. Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. — М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

13. Л. В. Журавлева Электроматериаловедение: учебник для вузов. – М.: Academia, 2004. – 312 с.

14. Технология конструкционных материалов/ под ред. А. М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

15. Ш. Я Коровский, Авиационное электрорадиоматериаловедение: учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1972 – 356 c.

16. В. В. Пасынков, В. С. Сорокин, Материалы электронной техники: учебник для студ. вузов. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с.

17. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев, Электроника: учеб. пособие. — М.: Высш. школа. 1991.— 622 с.

18. В. И. Лачин, Н. С. Савёлов, Электроника: учеб. пособие для студ. вузов. – Ростов на Дону: изд-во «Феникс», 2000. — 448 с.

19. В. М. Тареев, Электрорадиоматериаловедение. – М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.

20. Электротехнические и конструкционные материалы: учебное пособие под. ред. В. А. Филикова. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c.

21. Н. Н. Калинин, Г. Л. Скибинский, П. П. Новиков, Электрорадиоматериалы. –М.: Высшая школа, 1981. –294 с.

 

 

 

 

Учебное издание

ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Редактор Соколова О.А.

Подписано в печать 18.04.2008. Формат 60´84 1/16.

Печать плоская. Бумага офстна. Гарнитура Times.

Усл. печ. л. 4,7. Усл. кр.-отт. 4,7. Уч.-изд. л. 4,6.

Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно - издательский комплекс УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12