И.З. ШАРИПОВ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

И.З. ШАРИПОВ

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

  Рекомендовано редакционно-издательским советом УГАТУ в качестве учебного…  

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВведЕние.. 5

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ... 6

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ.. 7

1.1.1. Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле. 9

1.1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ. 10

1.1.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ. 12

1.1.3.1. Электронная поляризация. 13

1.1.3.2. Ионная поляризации. 14

1.1.3.3. Дипольная поляризация. 15

1.1.3.4. Спонтанная поляризация. 16

1.1.3.5. Активные диэлектрики. 17

1.1.4. Диэлектрические потери.. 18

1.1.4.1. Зависимость тангенса угла потерь от температуры.. 20

1.1.4.2. Зависимость тангенса угла потерь от частоты.. 22

1.1.5. Пробой диэлектриков. 23

1.1.5.1. Электрический пробой. 23

1.1.5.2. Электротепловой пробой. 25

1.1.5.3. Электрохимический пробой. 26

· Контрольные вопросы.. 27

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ.. 28

1.2.1. Собственные полупроводники. 29

1.2.2. Примесные полупроводники. 30

1.2.3. Применение полупроводников. 32

· Контрольные вопросы.. 37

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.. 38

2.1. Диаграмма растяжения. 38

2.2. Твердость. 41

2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла. 42

· Контрольные вопросы.. 44

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов.. 45

3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла. 45

3.2.1. Рекристаллизация. 46

3.2. Холодная и горячая деформации. 48

3.3. Термическая обработка металлов. 50

3.4. Химико-термическая обработка металлов. 52

3.3.1. Цементация. 54

3.3.2. Азотирование. 55

3.3.3. Нитроцементация. 55

3.3.4. Цианирование. 55

3.3.5. Борирование. 56

3.3.6. Силицирование. 56

3.3.7. Диффузионная металлизация. 56

3.5. Поверхностная пластическая деформация. 56

· Контрольные вопросы.. 58

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ... 59

4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам 59

4.1.1.Критерии оценки конструкционной прочности материалов. 60

4.2. Сплавы железа с углеродом... 62

4.2.1. СТАЛИ.. 63

· Контрольные вопросы.. 66

4.3. Цветные металлы и сплавы... 67

4.3.1. Медные сплавы.. 67

4.3.2. Алюминиевые сплавы.. 69

4.3.3. Магний и его сплавы.. 70

4.3.4. Титан и его сплавы.. 71

· Контрольные вопросы.. 71

4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ конструкционные материалы... 72

4.4.1. Химический состав. 72

4.4.2. Строение полимеров. 72

4.4.3. Свойства полимеров. 76

4.4.4. Полимеры с наполнителями. 78

4.4.5. Эффективность применения полимеров. 78

· Контрольные вопросы.. 79

4.5. Неорганические конструкционные материалы... 80

4.5.1. Графит. 80

4.5.2. Стекло. 81

4.5.3. Ситаллы.. 84

4.5.4. Керамика. 85

· Контрольные вопросы.. 87

4.6. Композиционные материалы... 88

4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы.. 88

4.6.2. Волокнистые композиционные материалы.. 89

· Контрольные вопросы.. 91

Список литературы.. 92

 

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 вплавлять 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

, (1.1) 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.).… , (1.4)

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 оказывается… При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости…

Активные диэлектрики

Другим примером являются электреты. По английски «electret» пишется аналогично «magnet» – магнит В этих материалах поляризованное состояние может… 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 , (1.8) 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…    

Зависимость тангенса угла потерь от частоты

При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энергию, потом соударяются с встречающимися на… В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну… Вид графика частотной зависимости tgd неполярного диэлектрика приведен на рис. 17. При росте частоты электрического…

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 течении 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

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.

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не менее важными… К механическим свойствам относятся твердость, прочность. пластичность,… Познакомимся с ними подробнее.

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 тоже время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное сочетание… 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. Такая обработка 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

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

Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны.

По ГОСТууглеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. Степень раскисления обозначается индексом: спокойная сталь – СП, полуспокойная – ПС, кипящая – КП.

Например, Ст3_КП – сталь обыкновенного качества, марки 3, кипящая.

Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др.

В углеродистых качественных сталяхсодержитсяменьше сопутствующих примесей. По ГОСТутакуюсталь обозначают цифрами 45, 85 и т.д., которые указывают процентное содержание углерода в сотых долях процента. То есть в стали 85 содержится

Рис.53. Классификация сталей.

 

 

0,85% углерода. Далее аналогично предыдущему добавляются обозначения спокойной, полуспокойной или кипящей стали.

Этот класс сталей используется для изготовления конструкционных деталей в машиностроении: болтов, гаек, пальцев, валов, осей, и т.д.

· 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

Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указывают на процентное содержание углерода в сотых долях процента. Далее идет перечисление легирующих элементов и их процентное содержание: Х -хром, Н –никель, Г –марганец, С –кремний, К –кобальт, М – молибден и т.д. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1%. Далее могут следовать буквы: А – высококачественная сталь, Ш – особовысококачественная сталь. Если после обозначения стали не стоит никакой буквы, то мы имеем дело с качественной сталью.

Например, сталь 20ХН3А – легированная сталь, содержание углерода 0,2%, другие легирующие элементы: хром – 1% и никель – 3%, высококачественная сталь.

За счет легирования прочность таких сталей возрастает в 5-10 раз по сравнению с чистым железом, материалу можно придать коррозионную стойкость, жаропрочность и др.

Легированные стали дорогие, поэтому их выпускают в относительно небольших количествах и применяют там, где требуются особые свойства материала: высокая механическая прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость и пр.

В табл.5. приведены механические свойства некоторых марок сталей.

 

Табл.5. Механические свойства сталей

Материал	НВ, МПа	Предел прочности, МПа	Пластичность, %
Fe
Углеродистая сталь обыкновенного качества
Ст1
Ст3
Ст6
Углеродистые качественные стали
Инструментальные стали
У7
У12А
Легированные стали
40Х
20ХГСНА
03Н12К15М10
03Н12К15М10

· 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.

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. Табл.10. Механические свойства титана и его сплавов. Сплав sв,…  

Химический состав

Полимеры обладают рядом ценных свойств, которые обуславливают их все более широкое применение. Имеют достаточную прочность, жесткость, эластичность… Существенный недостаток большинства органических материалов – их горючесть. Но… Важным достоинством полимеров является их технологичность, они легко формуются литьем, выдуванием, хорошо…

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.): Линейные, молекулы которых образуют длинные линии, цепочки. …

Свойства полимеров

· Термопласты Полиэтилен – продукт полимеризации этилена, структура (–СН2–СН2–)n один из… Полипропилен– продукт полимеризации пропилена, структура (–С2Н4–СН2–)n . За счет бокового ответвления молекулы прочнее…

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?

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.

Табл.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.

Табл.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 и 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 воду. 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.). Табл.14. Свойства ситаллов. Твердость, МПа Жаропрочность, оС …

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…

Волокнистые композиционные материалы

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