«Материаловедение и технология материалов»

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

(ПРАКТИКУМ)

По дисциплине

«Материаловедение и технология материалов»

Часть 1

Минск 2003 Введение

В процессе изучения курса «Материаловедение и технология ма­териалов» наряду с лекциями и практическими занятиями, боль­шую роль играет лабораторный практикум. Без овладения навыка­ми использования анализа поведения материалов в различных усло­виях невозможен направленный синтез новых материалов и обос­нованное использование их на практике.

Выполнение лабораторных работ позволит закрепить теоретиче­ские положения основных разделов науки о материалах, ознако­миться с современными методиками научного исследования и про­анализировать полученные экспериментальные результаты. В итоге можно выполнить небольшое, полностью завершенное научное ис­следование.

В учебном пособии (часть 1) приведены лабораторные работы, отражающие изучение основных физико-химических свойств кон­струкционных материалов и их структуры.

Особенностью изложенного материала является наличие доста­точно обширной теоретической части, что позволяет студентам са­мостоятельно подготовиться к занятиям. В пособии приводится список дополнительной литературы, который будет способствовать более детальному изучению работ.

Целью пособия является ознакомление с различными металличе­скими и неметаллическими конструкционными материалами, ис­пользуемыми в приборостроении, и приобретение Студентами чет­ких представлений о многообразной природе физико-химических явлений, происходящих в материалах при различных условиях в процессе их синтеза и эксплуатации.

После выполнения лабораторной работы предусматривается оформление отчета, который включает:

1) титульный лист;

2) основные теоретические положения;

3) порядок выполнения работы с представлением результатов в виде таблиц и графических зависимостей;

4) анализ полученных результатов и выводы. При проведении лабораторных работ необходимо, строго при­держиваться требований техники безопасности.

Лабораторнаяработа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Цель работы:изучить диаграмму состояния «железо-углерод», ознакомиться с микроструктурой железоуглеродистых сплавов (ста­лей и чугунов), порошковых композиционных материалов.

Теоретическая часть

При изменении концентрации компонентов в сплавах, а также в процессе их охлаждения или нагрева (при условии постоянного внешнего давления) в этих сплавах происходят существенные фазо­вые и структурные изменения, которые можно наглядно проследить с помощью диаграммсостояния, представляющих собой графиче­ское изображение состояния сплавов. Диаграммы строятся для рав­новесного состояния сплавов. Равновесное состояние- стабильное состояние, не изменяющееся во времени, и характеризующееся ми­нимумом свободной энергии системы.

Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Для их построения используют термический метод. С его помощью полу­чают кривые охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленным тепловыми эффектами превращений, определяют температуры самих превращений. С помощью диа­грамм состояния определяют температуры плавления и полиморф­ных превращений в сплавах, сколько фаз и какие фазы имеются в сплаве данного состава при данной температуре, а также количест­венное соотношение этих фаз в сплаве. Дополнительно к термиче­скому методу для изучения превращений в твердом состоянии при­влекается исследование микроструктуры с использованием оптиче­ского и электронного микроскопов, рентгеноструктурный анализ, изучение физических свойств сплавов и т.д.

В двойных сплавах по вертикали откладывается температура, а по горизонтали - концентрация компонентов. Каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию одного и друго­го компонента с учетом того, что общее содержание компонентов в каждой точке этой оси соответствует 100%.

Поэтому по мере увеличения количества одного компонента сплава, должно снижаться содержание в сплаве другого компонента.

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодей­ствий, которые имеют место между компонентами сплавов в жид­ком и твердом состояниях. Предполагается, что в жидком состоя­нии между компонентами существует неограниченная раствори­мость, т.е. они образуют однородный жидкий раствор (расплав). В твердом состоянии компоненты могут образовать механические смеси из чистых компонентов, неограниченные твердые растворы, ограниченные твердые растворы, устойчивые химические соедине­ния, неустойчивые химические соединения, а также испытывать полиморфные превращения.

Механические смесиобразуются, если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не раство­ряются друг в друге и не взаимодействуют. По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. На шлифе видны кристал­литы разных компонентов, образующих механическую смесь. Хи­мический анализ определяет также разные компоненты. Различимы два типа кристаллических решеток.

Твердые растворы- фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает на­личие двух элементов, а рентгеноструктурный - один тип решетки растворителя. По структуре - однородные зерна. Если оба компо­нента имеют однотипные кристаллические решетки, и их атомные диаметры отличаются не более чем на 8 - 15 %, то возможна неог­раниченная растворимость (например, золото и серебро).

Химические соединенияобразуются, если элементы, состав­ляющие сплав, взаимодействуют друг с другом. По структуре они представляют собой однородные твердые тела. Свойства химиче­ских соединений отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток исходных компонентов. В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, т.е. имеется химическая формула соединения.

Диаграмма состояния системы «железо-углерод»

Железо и его сплавы с углеродом

Полиморфизм - свойство вещества или материла изменять свою кристаллическую решетку при изменении температуры, Кристалли­ческие формы α-Fe и… Углерод - неметаллический элемент. В природе встречается в виде двух… В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита с гексагональной слоистой решеткой. Модификацию…

Стали

Стали - сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% угле­рода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, крем­ний, сера и фосфор. Некоторые элементы могут быть введены спе­циально для улучшения физико-химических свойств (легирующие элементы).

По структуре стали делятся на:

1) доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % углерода (состав П+Ф);

2) эвтектоидные стали, содержащие 0,8 % углерода (П);

3) заэвтектоидные, содержащие более 0,8 % углерода (П+втор.Ц).

Точка D - эвтектоидная точка (при охлаждении из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита). Эвтектоидное превращение происходит не из жидкости, а из твердого раствора.

В зависимости от химического состава различают стали углеро­дистые и легированные. В свою очередь углеродистые стали могут быть:

1) малоуглеродистыми (содержание углерода менее 0,25%);

2) среднеуглеродистыми (содержание углерода составляет. 0,25 - 0,60%);

3) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода пре­вышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

1) низколегированные - содержание легирующих элементов до 2,5%;

2) среднелегированные- т- 2,5 до 10% легирующих элементов;

3) высоколегированные - содержат свыше 10% легирующих эле­ментов.

По назначениюстали бывают:

1) конструкционные, предназначенные для тельных и машиностроительных изделий;

2) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мери­тельный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат

более 0,65% углерода;

3) с особыми физическими свойствами, например, с определен­ными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения (электротехническая сталь, инвар);

4) с особыми химическими свойствами, например, нержавею­щие, жаростойкие или жаропрочные стали.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фос­фора) стали подразделяют на:

1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и

до 0,07% фосфора.

2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3. Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора.

4. Особо высококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,0] 5% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, различают:

1) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные, обозначаются буквами "'сп" в конце марки;

2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";

3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положе­ние между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ _т, изгиб в хо­лодном состоянии), сталь каждой группы делится на категории, ко­торые обозначаются арабскими цифрами.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и ус­ловным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического со­става и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Для указания ка­тегории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соот­ветствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качест­ва, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребите­лям по механическим свойствам (группа А).

Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей,

содержащих до 0,65% углерода или в десятых долях про­цента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжа­ются буквой "У".

Например: СТ45 - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,45% С.

У7 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, со­держащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо рас кислены).

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ниобий, М - молибден, Ф - ванадий, В - вольфрам, Н - никель, X - хром, Г - марганец, П - фосфор, Д - медь, С - кремний.

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Ес­ли цифры нет, то сталь содержит 0,8 - 1,5% легирующего элемента.

Например: 14Г2 — низколегированная качественная сталь, спо­койная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.

ОЗХ16Н15МЗБ - высоколегированная качественная сталь, спокой­ная содержит 0,03% С, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особо высококачественные стали мар­кируют так же, как и качественные, но в конце марки высококачест­венной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозна­чения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь), а после марки особо высококачественной - через тире букву "Ш".

Например:У8А - углеродистая инструментальная высококаче­ственная сталь, содержащая 0,8% углерода;

ЗОХГС-Ш — особо высококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента (ШХ6).

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают бук­вой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содер­жание в ней вольфрама (Р18).

Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указываю­щей среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12).

Чугуны

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Чугуны, в отличие от сталей, заканчивают кристаллизацию обра­зованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластиче­ской деформации и высокими литейными свойствами.

В зависимости от состояния углеродав чугуне, различают:

1) чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоя­нии в виде карбида (белый чугун);

2) чугун, в котором углерод в значительной степени или полно­стью находится в свободном состоянии в виде графита (серый, вы­сокопрочный, ковкий чугуны).

Белый чугун не содержит графита, весь углерод связан в це­ментите Fe₃C. Белые чугуны, в зависимости от содержания углеро­да, делятся на:

1) доэвтектические - содержание углерода до 4,3% . Структура состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические - содержание углерода 4,3%. Структура состо­ит из ледебурита;

3) заэвтектические - содержание углерода более 4,3 %. Структу­ра состоит из ледебурита и первичного цементита.

Точка С - эвтектическая. Эвтектическое превращение происхо­дит из жидкости. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. В точке С одновременно в равновесии сосуществуют три фазы: жидкий расплав, аустенит и цементит.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. Под микроскопом графит будет на­блюдаться в виде темных кривых полос на светлом фоне. По сравне­нию с металлической основой, графит имеет низкую прочность. Мес­та его залегания можно рассматривать как нарушения сплошности. Серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств при испытаниях на растяжение. Однако серый чугун имеет и ряд преимуществ: позволяет получать дешевое литье, имеет хорошую . обрабатываемость резанием, высокие демпфирующие свойства.

Серый чугун маркируется двумя буквами СЧ и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления при растяжении в МПа.

Например: СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при рас­тяжении 100МПа.

По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механиче­ские свойства чугунов растут. Округленная форма графита достига­ется модифицированием. При использовании в качестве модифика­тора магния в количестве до 0,5% получают высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун содержит углерод в свободном состоя­нии в виде шаровидных включений графита. Под микроскопом на­блюдаются округлые темные зерна разного размера на светлом фо­не. Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные дета­ли. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрой, ха­рактеризующей величину временного сопротивления.

Например: ВЧ 35 — высокопрочный чугун с пределом прочно­сти при растяжении 350 МПа.

Ковкий чугун содержит углерод в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (длительный отжиг при темпера­туре 1000°С). Под микроскопом наблюдается хлопьевидная фаза на светлом фоне.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами: первое - предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение.

Например: КЧ 35-10 - ковкий чугун с пределом прочности 350 МПа и относительным удлинением 10 %.

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств метал­лической основы и характера включений графита.

Металлическая основа может быть:

1) перлитная (темная основа под микроскопом);

2) феррито-перлитная (чередование светлых и темных участков под микроскопом);

3) ферритная (светлая основа под микроскопом).

Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация является диффузионным процессом и протекает медлен­но. Процесс графитизации состоит из нескольких стадий:

1) образование центров, графитизации;

2) диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

3) рост выделений графита.

Композиционные материалы, полученные методом

Порошковой металлургии

Технологический процесс изготовленияизделий из порошков включает в себя: получение порошков, подготовку шихты, формо­вание, спекание, горячее… При формовании заготовок из порошков определенного химиче­ского состава…

Исследование структуры сплавов

Изучение структуры сплавов в данной работе осуществляется с помощью оптического микроскопа. Изображение формируется в отраженном свете. Для микроанализа изготавливают образцы с полированной по­верхностью -… В результате анализа оценивается форма включений, их размер, распределение, количество графита, легирующих элементов,…

Экспериментальная часть

1. Используя образцы-микрошлифы порошковых материалов, рассмотреть и графически изобразить структуру материалов под микроскопом. Сравнить структуру с описанием в альбоме.

2. Используя образцы-микрошлифы сталей и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить содержание углерода в образцах и фазовый состав по диаграмме состояния, приведенной в теоретической части.

3. Используя образцы-микрошлифы чугунов и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить вид чугуна, форму графитных включений, тип металлической основы. У белых чугунов определить содержание углерода. По диаграмме состояния определить фазовый состав бе­лых чугунов.

4. Изучить диаграмму состояния «железо-углерод». Идентифи­цировать линии ликвидуса, солидуса, эвтектоидную и эвтектиче­скую точки, линии фазовых переходов, температуры плавления же­леза, цементита и т.д.

5. По результатам проведенной работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №2,

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить механические свойства конструкционных материалов и методы оценки свойств.

Теоретическая часть

Механические свойства материалов зависят от вида напряжен­ного состояния (создаваемого в образцах при испытании), условий и характера нагружения, скорости, температуры и состояния внеш­ней среды. Целью механических испытаний материалов является определение именно тех или иных свойств или их совокупности, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий в заданных условиях службы. Совокупность таких механических свойств можно назвать конст­руктивной прочностью.

В качестве критериев оценки принимают разные сочетания ме­ханических свойств. Выделяют следующие группы критериев:

1. Оценки прочностных свойств материалов, определяемые часто и независимо от особенностей изготовляемых из них изделий и ус­ловий их службы. Обычно эти прочностные свойства определяют в условиях растяжения при статическом нагружении.

2. Оценки свойств материалов, непосредственно связанных с ус­ловиями службы изделий, и определяющие их долговечность и надежность.

3. Оценки прочности конструкции в целом, определяемые при стендовых и эксплуатационных испытаниях.

Первые две группы критериев оценки свойств определяются на образцах, тогда

как последние - на готовых деталях и конструкциях.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

1) прочность - способность материала сопротивляться разруше­нию под действием нагрузки;

2) пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения при действии нагрузки;

3) хрупкость - способность материала разрушаться без защит­ного поглощения энергии;

4) вязкость - способность материала до момента разрушения необратимо поглощать механическую энергию;

5) упругость - способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки;

6) твердость - способность материала сопротивляться проник­новению в него другого тела в поверхностном слое.

Диаграмма растяжения

Построение диаграммы растяжения является основной задачей испытаний па растяжение. Для этих испытаний используются ци­линдрические образцы из… Зона ОА носит название зоны упругости (после снятия нагрузки Рпц образец…

Определение твердости материалов

Твердость - способность материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воз­действиях.

Преимущества измерения твердости

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности (не требует специальных образ­цов, выполняется… 3. Измерение твердости не влечет за собой разрушение прове­ряемой детали и… 4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в тонких слоях.

Определение твердости по шкале Мооса

со стек­лом, лезвием ножа и т.п., как показано в табл. 2.1. Таблица 2.1

Экспериментальная часть

1.Испытания на растяжение.

1.1. Получить цилиндрические образцы из стали, испытанные на растяжение.

1.2. Произвести с помощью штангельциркуля необходимые из­мерения длин и диаметров образцов. Данные занести в табл 2.2.

Таблица 2.2

1.3. Определить основные механические характеристики, а имен­но предел прочности материала, относительное удлинение и отно­сительное сужение по формулам, приведенным в теоретической части работы.

1.4. Построить диаграмму растяжения образов стали в координа­тах Р-Δl.

1.5. Ознакомиться с диаграммами растяжения различных конст­рукционных материалов, выданными преподавателем, выделить ос­новные зоны, определить механические характеристики.

2. Определение твердости материалов.

2.1. Определение твердости по Бринеллю:

а) испытуемый образец устанавливают на столике прибора для измерения твердости;

б) установить величину нагружающего усилия и время действия нагрузки;

в) нанести отпечаток на образец, опустить столик прибора, снять образец;

г) используя микроскоп, измерить диаметр полученного отпе­чатка и рассчитать твердость по Бринеллю.

2.2. Определение твердости по Виккерсу:

а) определить длины диагоналей отпечатка на образце установленном на предметном столике микроскопа;

б) рассчитать значение твердости по Виккерсу.

2.3. Изучение влияния содержания углерода в стали на ее твер­дость;

а) измерить диаметры отпечатков полученных образцов для ста­лей СТ20, СТ45, У8;

б) определить значения твердости по Бринеллю, пользуясь спра­вочными таблицами;

в) построить графическую зависимость твердости от содержа­ния углерода и объяснить се.

3. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить особенности процесса кристаллизации материалов на примере солей и металлов, определить* влияние различных факторов на структуру закристаллизованного материала, ознакомиться с методикой термического анализа.

Теоретическая часть

Всякое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, на­зываемой температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации.

Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (так называемый ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидкостях определенная ориентировка рас­пространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов, образующих сравнительно устойчивые группировки, или флуктуа­ции (ближний порядок). С понижением температуры устойчивость флуктуации увеличивается, и они проявляют способность к росту.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвиж­ность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении

определенной температуры, называемой температу­рой плавления, решетка разрушается с образованием жидкой фазы.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жидко­сти (расплава) и ее последующем затвердевании. При охлаждении подвижность атомов снижается, и вблизи температуры плавления -образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, на которых впоследствии вырастает слой кри­сталлов. При достижении температуры «плавления-затвердевания» вновь образуется кристаллическая решетка, и металл переходит в твердое состояние. Переход металла из жидкого состояния в твер­дое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Кристаллические тела характеризуются анизотропией - зависи­мостью свойств от направления. Аморфные тела (например, стекло) являются изотропными - их свойства не зависят от направления.

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации. Энер­гетическое состояние любой системы характеризуется определен­ным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения молекул, атомов и т.д. Свободной энергией является та­кая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу. Величина свободной энергии изменяется при изменении температуры, плавлении, поли­морфных превращениях и т.д.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стре­мится к минимальному значению свободной энергии. Любой само­произвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свобод­ной энергии. Например, шарик стремиться скатиться вниз по на­клонной плоскости, понизив при этом свою свободную энергию. Самопроизвольное возвращение шарика вверх по наклонной плос­кости невозможно, так как при этом произойдет увеличение его свободной энергии.

Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энер­гией обладает жидкое состояние. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры показано на рис. 3.1. Температурные изменения свободной энергии раз­личны для жидкого и твердого состояний вещества.

Рис. 3.1. Термодинамическое условие кристаллизации

Различают теоретическую и фактическую температуру кристал­лизации.

Т₀ - теоретическая, или равновесная температура кристаллиза­ции, при которой F_ж = F_тв При этой температуре равновероятно су­ществование металла как в жидком, так и в твердом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется тогда, когда этот процесс бу­дет термодинамически выгоден системе, при условии ΔF = F_ж - F_тв, для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактиче­ской температурой кристаллизации Т_кр. Разность между теорети­ческой и фактической, температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения:ΔТ = Т₀ - Т_кр. Чем больше степень пе­реохлаждения ΔТ, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Подобно тому, как при затвердевании необходимо переохлажде­ние до фактической температуры кристаллизации, так и при плав­лении необходим перегрев для достижения реальной температуры плавления.

Механизм процесса кристаллизации

1) зарождение центров кристаллизации; 2) рост кристаллов из этих центров. При температурах, близких к температуре затвердевания, в жид­ком металле образуются небольшие группировки атомов, так…

Термический анализ

Рис. 3.5. Виды кривых охлаждения Когда кристаллизуется чистый элемент, отвод теплоты, проис­ходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой…

Строение слитка спокойной стали

Схема строения слитка спокойной стали приведена на рис. 3.7. Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зо­ны 1, зоны столбчатых… Рис. 3.7. Структура металлического слитка

Экспериментальная часть

1. Провести термический анализ металла.

1.1. Включить печь, в которую помещен образец металла.

1.2. Произвести нагревание (плавление) образца до температуры, указанной лаборантом.

1.3. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек. Перевод показаний производится с помощью градуировочной таблицы.

1.4. При достижении конечной температуры эксперимента вы­ключить печь и произвести процесс охлаждения (кристаллизацию) металла.

1.5. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек.

1.6. Построить кривые нагревания и охлаждения в координатах

«температура - время» на одном графике.

1.7. Определить критические точки агрегатных превращений и

степень переохлаждения.

2. Изучить процесс кристаллизации на примере солей металлов.

2.1. Нанести капли насыщенных растворов солей на предметное стекло и разместить на предметном столике микроскопа.

2.2. Рассмотреть и графически изобразить структуры солей, по­лученные через определенный период времени в процессе естест­венного испарения воды. Определить типы кристаллических обра­зований, последовательность образования зон, их количество.

3. По экспериментальным результатам сформулировать выводы.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цельработы: изучить теплофизические свойства материалов. Оп­ределить температурный коэффициент линейного расширения сплава.

Теоретическая часть

Для ряда отраслей приборостроения необходимо применение ма­териалов со строго регламентированными тепловыми свойствами, К основным теплофизическим свойствам относятся: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, термостойкость, теплоемкость, тепловое расширение.

Нагревостойкостью называют способность материалов без по­вреждения и без допустимого ухудшения других практически важ­ных свойств надежно выдерживать действие повышенной темпера­туры (кратковременно или в течение времени, которое сравнимо с нормальным временем эксплуатации). Величину нагревостойкости оценивают по соответствующим значениям температуры, при кото­рой появились изменения свойств (например, электрических для неорганических диэлектриков). Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформа­ций. Если ухудшение свойств обнаруживают только после длитель­ного воздействия повышенной температуры - за счет медленно протекающих химических процессов, то это так называемое тепло­вое старение материала. Помимо воздействия температуры, суще­ственное влияние на скорость старения могут оказывать: повышение давления воздуха, концентрация кислорода,

различных химиче­ских реагентов и т.д.

Для ряда хрупких материалов (стекла, керамики) важна стой­кость по отношению к резким сменам температуры - тепловым им­пульсам. Способность выдерживать теплосмены называется термо­стойкостью.При быстром нагреве или охлаждении поверхности материала, за счет создания температурного перепада между на­ружным и внутренним слоями материала и неравномерного тепло­вого расширения или сжатия, могут образоваться трещины. Термостойкость оценивается по количеству теплосмен, которое выдержал образец материала без заметного изменения свойств.

В результате испытаний определяют стойкость материала к теп­ловым воздействиям, причем стойкость эта в различных случаях может быть неодинаковой. Например, материал, легко выдержи­вающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры или мате­риал, выдерживающий длительный нагрев до высокой неизменной температуры, при быстром охлаждении растрескивается, меняет свои свойства. Испытание на действие повышенной температуры иногда необходимо проводить с одновременным воздействием по­вышенной влажности воздуха (тропический климат).

Когда аппаратура рассчитана на работу в условиях пониженных температур, важна ее холодостойкость - способность материала без повреждения и без недопустимого ухудшения других практиче­ски важных свойств надежно выдерживать воздействие низких температур, например, от -60°С и ниже. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако, многие материалы, гибкие и эластичные при обычных температурах, при низких становятся весьма хрупкими и жесткими, что приводит к ненадежности работы.

Все твердые тела в той или иной степени способны проводить тепло. Одни хуже, другие лучше. Теплопроводность - это свойство материалов проводить тепло от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящее к выравниванию температуры.

Принципиально существуют следующие способы передачи теп­ловой энергии в веществе:

1) излучение- все тела, какова бы ни была их температура, из­лучают энергию. Это может быть чисто термическое явление (теп­ловое излучение) и

люминесценция (фосфоресценция и флюоресценция), которая имеет нетермическое происхождение;

2) конвекция- прямая передача тепла, связанная с движением жидкостей и газов;

3) теплопроводность - передача тепла вследствие взаимодейст­вия атомов или молекул вещества. В твердых телах перенос тепло­вой энергии осуществляется в основном по этому способу.

Основной закон теплопроводности Фурье гласит, что плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры. Закон справедлив для изотропных тел (свойства не зависят от направле­ния). Анизотропные твердые тела характеризуются коэффициента­ми теплопроводности в направлении главных осей.

В общем случае теплопроводность в твердых телах осуществля­ется двумя механизмами - движением носителей тока (электронов, главным образом) и упругими тепловыми колебаниями атомов ре­шетки. Максимальный коэффициент теплопроводности имеют алю­миний, золото, медь, серебро. Кристаллы с более сложным строени­ем решетки имеют более низкую теплопроводность, т.к. степень рассеивания тепловых упругих волн там больше. Снижение тепло­проводности наблюдается также при образовании твердых раство­ров, т.к. при этом возникают дополнительные центры рассеивания тепловых волн. В гетерофазных (многофазных) сплавах коэффици­ент теплопроводности складывается из теплопроводностей обра­зующихся фаз. Теплопроводность соединений всегда значительно ниже, чем теплопроводность образующих их компонентов.

Теплоемкость- это свойство самого вещества, оно не зависит от структурных особенностей конкретного изделия, его пористости и плотности, размеров кристаллов и других факторов. Теплоемкость - это количество теплоты, соответствующее изменению температуры единицы количества вещества на 1°С.

Тепловое расширение- увеличение объема и линейных разме­ров тел с изменением температуры. Оно свойственно практически всем материалам.

Хотя прочность сил связи в твердом теле очень велика, сущест­вуют возможности движения элементарных частиц (атомов, ионов). Как в аморфных телах, так и в кристаллических, атомы вибрируют около центра равновесия.

При этом амплитуда колебаний возраста­ет с ростом температуры. Практика показывает, что и удельный объем большинства веществ возрастает при увеличении температу­ры, т.е. имеет место тепловое расширение. Явление термического расширения, однако, связано не с увеличением амплитуды колеба­тельного движения атомов, а с его ангармоничностью. Для понима­ния сущности явления необходимо рассмотреть силовое взаимодей­ствие при образовании химической связи между атомами, а также зависимость потенциальной энергии системы от межатомного рас­стояния. Любой вид химической связи предполагает баланс сил притяжения и отталкивания между атомами. При сближении атомов вначале доминируют силы притяжения. Сближение атомов до неко­торого предела уменьшает энергию системы, т.е. обеспечивает ей большую устойчивость. При достаточно малом межатомном рас­стоянии, однако, проявляются силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению атомов. Действие этих сил возрастает с уменьшением межатомного расстояния, что соответствует увеличе­нию энергии системы. При некотором значении межатомного рас­стояния силы отталкивания и притяжения уравновесятся, после чего дальнейшее сближение требует приложения внешней силы, что соответствует положительным значениям результирующей силы F_рез.

Рис. 4.1. Схема силового взаимодействия между

разноименно заряженными частицами

Потенциальная яма характеризуется сильно выраженной асим­метрией. Допустим, при некоторой температуре колеблющийся атом обладает определенной энергией. В этом случае он совершает колебания относительно центра, отклоняясь поочередно «влево-вправо». Так как смещения от положения

равновесия должны быть одинаковы, то повышение энергии системы вызывает смещение центра колебаний вдоль оси межатомного расстояния. Таким обра­зом, среднее расстояние между атомами растет по мере повышения температуры, что соответствует термическому расширению тела.

Таким образом, в основе явления термического расширения твердых тел лежит ангармоничность колебательного движения его атомов, а степень отклонения тепловых колебаний от гармониче­ского закона, т.е. величина термического расширения тела, во мно­гом определяется степенью асимметрии потенциальной ямы. Как правило, в веществах с ионным характером связи потенциальная яма характеризуется значительной шириной и асимметрией. Этот факт и определяет существенный рост средних межатомных рас­стояний при их нагревании, или значительное тепловое расширение ионных соединений.

Наоборот, в веществах с преимущественно ковалентным харак­тером связи (бориды, нитриды, карбиды) потенциальная яма имеет форму заостренной впадины, в связи с чем степень ее симметрич­ности выше. Поэтому увеличение расстояния между атомами при нагреве сравнительно невелико, что соответствует их относительно небольшому тепловому расширению. Металлы обладают, как пра­вило, повышенным тепловым расширением, т.к. металлическая связь, в общем, является более слабой, чем ионная и ковалентная. Наконец, органические полимеры характеризуются очень большим расширением при нагреве, обусловленным слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, действующими между молекулами, в то время как внутри молекул действуют мощные ковалентные силы.

Количественно тепловое расширение материалов оценивается следующими величинами:

1. Температурным коэффициентом линейного расширения при данной температуре (ТКЛР), соответствующим относительному удлинению образца при бесконечно малом изменении температуры.

2. Температурным коэффициентом объемного расширения, ха­рактеризующим трехмерное расширение вещества.

Важным практическим следствием является необходимость ис­пользования данных по ТКЛР, полученных в конкретном темпера­турном интервале, в котором работает материал. Нельзя сравнивать температурные коэффициенты
расширения материалов, измерен­ные при различных температурах.

У изотропных материалов (кристаллы с кубической решеткой, стекла) ТКЛР одинаков во всех направлениях. Большинство кристал­лических веществ, однако, анизотропны (расширение различно вдоль различных осей). Наиболее сильно это явление выражено, например, у слоистых материалов (графит), когда химические связи обладают выраженной направленностью. В результате у графита расширение вдоль слоя оказывается намного меньше, чем перпендикулярно ему. У некоторых подобных материалов с сильно выраженной анизотро­пией величина ТКЛР в одном из направлений может оказаться даже отрицательным. Например, кордиерит 2MgO 2А1₂О₃ 5SiO₂, у которо­го при тепловом расширении вдоль одной оси наблюдается расши­рение кристалла, а вдоль другой оси - сжатие, соответствующее сближению слоев структуры. Это явление используется в техноло­гии; в по л и кристаллическом материале хаотическое распределение кристаллов приводит к взаимной ориентации их положительного и отрицательного расширения. В итоге получают материал с низкой величиной ТКЛР, отличающийся очень высокой термостойкостью. В то же время в таких материалах на границах зерен могут возникать значительные напряжения, что отражается на их механической проч­ности. Для полифазных материалов на границе двух соприкасаю­щихся фаз с разными ТКЛР на фазу с большим коэффициентом рас­ширения будут действовать напряжения сжатия и растягивающие - на фазу с малым ТКЛР (при нагреве). При охлаждении напряжения меняют знаки. При превышении критических значений напряжений возможно появление трещин и даже разрушение материала.

Таким образом, ТКЛР является структурно чувствительным свойством и чутко реагирует на изменения структуры материала, например на наличие полиморфных превращений в нем. В связи с этим на кривых расширения многофазных материалов могут на­блюдаться перегибы, их монотонный характер нарушается.

Если расширение тела в данном температурном интервале про­исходит равномерно, то графически расширение выразится прямой (рис. 4.2.), а средний коэффициент линейного расширения будет численно равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси темпера­туры, отнесенного к относительному изменению длины образца.

Рис. 4.2. Равномерное расширение тела при нагревании

Однако не всегда расширение образца происходит равномерно. Изучение особенностей теплового расширения в различных темпе­ратурных интервалах позволяет также делать косвенные выводы о температуре и характере различных структурных превращений в материале. В таких случаях зависимость теплового расширения от температуры будет выражаться не прямой линией, а более сложной зависимостью (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Неравномерное расширение тела при нагревании

Для нахождения величины коэффициента расширения в отдель­ных точках кривой расширения нужно провести касательную к оси температур через точку кривой, соответствующей температуре из­мерения. Величина коэффициента линейного расширения будет вы­ражаться тангенсом угла наклона касательной к оси температур.

Величина термического расширения тел при нагревании прежде всего зависит от природы данного материала, т.е. от его химико-минералогического состава, строения пространственной решетки, прочности химической связи и т.д. Так,

величина ТКЛР керамики определяется, прежде всего, характером кристаллической фазы, стекла - химическим составом, а ситалла - характером кристалли­ческой фазы, химическим составом остаточной стекловидной фазы и их соотношением.

Сложную температурную зависимость расширения дают стекло­образные материалы. Вначале, до так называемой температуры стеклования, близкой к температуре размягчения, расширение идет пропорционально температуре. При температуре, превышающей температуру стеклования, скорость удлинения резко возрастает. Этот участок соответствует переходному интервалу от хрупкого к высоковязкому состоянию, в котором происходят процессы струк­турной перестройки стекла, а температура стеклования считается границей хрупкого состояния. После достижения максимума удли­нение начинает уменьшаться, что связано с усадкой образца стекла в результате его размягчения.

ТКЛР является технической характеристикой материала и вы­числяется по формуле

где l₀ - длина тела при начальной температуре Т₀;

l_т - длина тела, нагретого до температуры Т.

ТКЛР - изменение длины при изменении температуры на 1 гра­дус, отнесенное к исходной длине образца. Материалы с низким ТКЛР применяют в качестве деталей высокоточных приборов и оборудования, которые не должны изменять размеры при нагреве. При жестком соединении частей прибора, например, в спае металла со стеклом, необходимо выбирать материалы с близкими значения­ми ТКЛР, иначе при охлаждении в месте соединения деталей будут возникать напряжения, и в хрупком стекле могут образоваться тре­щины, и спай не будет вакуумно-плотным. Близость ТКЛР необхо­дима также для слоев микросхем, подвергающихся изменению тем­пературы при технологических операциях или в процессе работы, иначе может произойти разрушение слоев схемы.

Коэффициент термического расширения играет большую роль также при оценке термостойкости материалов: чем ниже ТКЛР, тем выше термостойкость.

Существуют сплавы металлов, которые не подчиняются общим закономерностям тепловых свойств. Такими сплавами являются сплавы железа с никелем Ре-М1. Сплав, содержащий 36 % никеля, имеет значение ТКЛР близкое к нулю и носит название инвар (лат. «неизменный»).

Инженеры пользуются еще одним тепловым свойством, а имен­но тепловым коэффициентом модуля упругости (ТКМУ). В лю­бых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, который является мерой сил меж­атомных связей. Для сплава Ре-№ это свойство имеет аномальную зависимость: модуль ТКМУ растет или остается постоянным при повышении температуры. Максимальным ТКМУ обладает тот же инвар с 36% никеля. Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, ТКМУ которых практически не за­висят от температуры. Эти сплавы называются элинварами.

Стали с определенным тепловым расширением служат для изго­товления термобиметаллов, когда слой с низким тепловым расши­рением (пассивный слой) путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепловым расширением (активный слой). Биметаллические пластины используют в качестве терморегулятора в приборостроении.

Нагрев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяю­щему замкнуть электрическую цепь. Основным свойством термо­биметаллов является термочувствительность - способность изги­баться при изменении температуры.

Описание кварцевого дилатометра, используемого для измерения температурного коэффициента линейного расширения

Другой конец стержня соединяется со стержнем индикаторной го­ловки. Индикаторная головка укреплена на металлической стойке. Плотный контакт стержня с образцом осуществляется при помощи давления пружины индикатора. При расширении образец давит че­рез…

Экспериментальная часть

1. Ознакомится с устройством дилатометра.

2. Поместить трубку с образцом бронзы в трубчатую печь.

3. Включить печь и комбинированный прибор для снятия пока­заний.

4. Провести установку индикатора на нуль.

5. Через одинаковые промежутки времени (например, через 20°С) снимать показания индикатора, пользуясь градуировочной таблицей.

6. Опытные данные занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

7. Рассчитать температурный коэффициент линейного расшире­ния образца для трех температурных интервалов (25-100, 25-200, 25-300°С) по формуле

где α - коэффициент линейного расширения;

n - показания индикатора;

k - цена деления индикатора;

(T₂ - T₁) - разность температур (комнатной и конечной) для выбранного интервала;

l - начальная дина образца;

α_кв - поправка на расширение кварца.

8. Построить и объяснить графическую зависимость удлинения образца от температуры.

9. Проанализировать полученные результаты для бронзы, представляющей собой сплав меди и олова, учитывая, что α_меди= 160 ·10^-7 гр^-1, α_олова= 230 ·10^-7 гр^-1.

10. Ознакомиться с кривыми расширения для неметаллических материалов, выделить характерные зоны, объяснить процессы, происходящие в материалах при нагревании.

11. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №5

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: ознакомиться с различными пористыми материа­лами и технологией их изготовления. Определить водопоглощение полимерных, композиционных и стеклокерамических материалов и сделать сравнительный анализ полученных результатов.

Теоретическая часть

Все материалы в большей или меньшей степени обладают водопоглощением, т.е. способностью поглощать в себя влагу из окру­жающей среды и влагопроницаемостью,т.е. способностью про­пускать сквозь себя воду. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

На водопоглощение материала существенное влияние оказывает его структура и химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильнопористые материалы, в частности волокни­стые, обладают большим водопоглощением. Определение водопоглощепия по увеличению массы увлажняемого образца дает некото­рое представление о способности материала поглощать влагу.

Любой пористый конструкционный материал (металлический, керамический, стеклокерамический или полимерный) - это, как правило, сочетание твердого вещества с пустотами - порами. Объем пор, их размеры и характер распределения оказывают значительное влияние на ряд свойств изделий и материалов. Так, например, меха­ническая прочность керамики зависит не только от общей пористо­сти, но и от размера пор, равномерности их распределения. Бес­спорно, что с увеличением пористости прочность керамики уменьшается за счет увеличения дефектности структуры и снижения прочности связей.

Установлено, что объем пор, заполненных водой, определяет морозостойкость изделий; количество, размер и характер распреде­ления пор во многом определяют шлакоустойчивость футеровки печей; пористость влияет на теплопроводность материалов.

Поры в материалах имеют разнообразную форму, очертания, мо­гут быть неравномерно распределены по объему, поэтому полную характеристику пористости получить чрезвычайно трудно, даже при использовании современных поромеров. Несмотря на разнооб­разие форм, поры можно подразделить на:

1. Закрытые поры - недоступные для проникновения в них жидкости и газа.

2. Открытые - поры, доступные для проникновения.

Открытые поры в свою очередь делятся на:

1) тупиковые - поры, заполняемые жидкостью и газом, откры­тые с одной стороны;

2) каналообразующие - открытые с обоих концов поры, соз­дающие поровые каналы.

Влагопроницаемость материала обуславливается, прежде всего, каналообразующими порами при наличии на их открытых концах перепадов давления. Пористость и проницаемость - важные харак­теристики текстуры для всех типов технических материалов.

Поскольку прямые методы измерения пористости материалов чрез­вычайно сложны, то этот показатель часто оценивается путем опреде­ления других свойств, непосредственно зависящих от пористости. К таким показателям относится плотность материала и водопоглощение.

Ознакомимся с некоторыми определениями.

Истинная плотность- отношение массы материала к его объе­му без учета пор.

Кажущаяся плотность - это отношение массы тела ко всему занятому им объему, включая поры.

Относительная плотность - отношение кажущейся плотности к истинной плотности. Она представляет объемную долю твердого вещества в материале.

Водопоглощение - это отношение массы воды, поглощенной материалом при полном насыщении, к массе сухого образца (выражают в процентах).

Измерив вышеуказанные характеристики, можно оценить об­щую, открытую и закрытую пористость керамики.

Истинная (общая) пористость - суммарный объем всех пор от­крытых и закрытых, выраженный в % к общему объему материала. Эта величина обозначается П_и и численно равна сумме закрытой и открытой пористости.

Кажущаяся (открытая) пористость - это отношение объема всех открытых пор тела (заполняемых водой при кипячении) ко всему объему материала, включая объем всех пор. Величину обозначают П₀ и выражают в %.

Закрытая пористость - это отношение объема всех замкнутых пор тела к его объему, включая объем всех пор, обозначают ее через П₃ и выражают в %.

Водопоглощение полимерных материалов

При невысоких температурах и небольшом времени контакта воды с полимером набухание имеет ограниченный характер и рас­пространяется на небольшую… В композиционных материалах, которыми и являются пластмас­сы, водостойкость… Пластмассы- это неметаллические материалы на основе при­родных или синтетических высокомолекулярных соединений…

Классификация пластмасс

Пластмассы можно классифицировать по различным признакам, например, по составу, отношению к нагреванию и растворителям и т.д.

По составу пластмассы делятся на:

1) ненаполненные. Представляют собой смолу в чистом виде.

2) наполненные (композиционные). Содержат, кроме смолы, на­полнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители и специ­альные добавки.

Наполнителидобавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения механических свойств, уменьшения усадки и снижения стоимости материала (стоимость наполнителя ниже, чем стоимость смолы). Однако наполнитель повышает гигроскопичность пласт­масс и ухудшает электрические характеристики.

Пластификаторы (глицерин, касторовое или парафиновое мас­ло) вводят в количестве 10-20% для уменьшения хрупкости и улуч­шения формуем ости.

Стабилизаторы (сажа, сернистые соединения, фенолы) вводят в количестве нескольких процентов для замедления старения, что ста­билизирует свойства и удлиняет срок эксплуатации. Старение - са­мопроизвольное необратимое изменение важнейших эксплуатацион­ных характеристик материала в процессе эксплуатации и хранения., происходящее в результате сложных физико-химических процессов.

Отвердители вводят также в количестве нескольких процентов для соединения полимерных молекул химическими связями.

Специальные добавки - смазки, красители, для уменьшения статических зарядов, для уменьшения горючести, для защиты от плесени.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляются порообра-зователи - вещества, которые при нагреве размягчаются, выделяя большое количество газов, вспенивающих смолу.

По отношению к нагреванию и растворителям пластмассы де­лятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры(термопласты) - полимеры кото­рые могут многократно размягчаться при нагреве и твердеть при ох­лаждении без изменения свойств. В этих полимерах между молеку­лами действуют слабые силы Ван-дер-Ваапьса, и нет химических свя­зей. Термопласты обладают также растворимостью в растворителях.

Термореактивные полимеры(реактопласты) при нагревании до определенной температуры расплавляются и в результате хими­ческих реакций при этой же температуре при охлаждении твердеют (как говорят, «запекаются»), превращаясь в жесткое, неплавящееся и нерастворимое вещество. В этом случае, наряду со слабыми сила­ми Ван-дер-Ваальса, действуют прочные химические связи между молекулами, называемые поперечными. Их возникновение и со­ставляет суть процесса отверждения полимера.

По убывающему влиянию наполнителя пластмассы разделяют на следующие виды:

1) с листовымнаполнителем (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древестно-слоистый пластик);

2) с волокнистым наполнителем(волокнит, асбоволокнит, стекловолокнит);

3) с порошковым наполнителем(фенопласты, аминопласты,

эпоксидные пресс-порошки);

4) без наполнителя(полиэтилен, полистирол);

5) с газовоздушным наполнителем (пенопласты).

Гетинакссостоит из двух или более слоев прочной, нагрево-стойкой, пропиточной бумаги, обработанной термореактивной фе-нолформальдегидной смолой резольного типа (бакелитом). С целью повышения нагревостойкости в некоторые марки гетинакса допол­нительно вводят кремнийорганические вещества, а для повышения клеящей способности - эпоксидные смолы. Гетинакс - дешевый материал, используемый в РЭА для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований печатных плат.

Нагревостойкость гетинакса - 135°С. Недостатки: легкость рас­слаивания вдоль листов наполнителя, гигроскопичность (это ухуд­шает электроизоляционные свойства). Для защиты от влаги поверх­ность покрывают лаками.

Текстолит - прессованный материал на основе листов хлопча­тобумажной ткани, пропитанной, как и гетинакс, бакелитом. Он легче обрабатывается, чем гетинакс, имеет более высокие водо­стойкость, прочность при сжатии и ударную вязкость. Текстолит дороже гетинакса в 5-6 раз. Нагревостойкость 150°С.

Стеклотекстолит- материал, состоящий из двух или более сло­ев бесщелочной стеклоткани, пропитанной различными термореак­тивными смолами.

Стеклотекстолит, по сравнению с гетинаксом и текстолитом, об­ладает повышенной влагостойкостью, нагревостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами, но хуже обрабаты­вается механически. Стеклотекстолит имеет хорошую демпфирую­щую способность (способность гасить вибрации) и превосходит в этом отношении стали, сплавы титана. По тепловому расширению он близок к сталям. Нагревостойкость - 185°С. Стеклотекстолит нахо­дит широкое применение, так как в нем сочетаются малый вес, высо­кая прочность, Нагревостойкость и хорошие электрические свойства.

Древесно-слоистый пластик - материал с наполнителем в виде опилок или шпона.

Листовые фольгированные пластмассыимеют специальное назначение и применяются для изготовления плат с печатным мон­тажом. Они представляют собой слоистую пластмассу, облицованную с одной или двух сторон медной фольгой, полученной электро­литическим путем.

Такой способ получения фольги обеспечивает однородный состав и шероховатую поверхность с одной стороны, что улучшает сцепление фольги с диэлектриком при приклеивании. Композиционные пластмассы с наполнителем в виде хлопчатобумажных волокон и тканей, а также на основе древесных материа­лов могут иметь высокое водопоглощение за счет наполнителя. Со­гласно ГОСТу 4650-73, водопоглощение полимерных материалов определяется при нахождении образца в воде в течение 24 ч при комнатной температуре (либо при кипячении в течение 30 мин).

Таблица 5.1.

Свойства пластмасс

2. Пластмассы стойки к долговременному действию промыш­ленных агрессивных сред и применяются для изготовления защит­ных покрытий па металлы.… 3. Под действием окружающей среды пластмассы медленно ста­реют, то есть… 4. Большинство полимеров может длительно работать лишь при температурах ниже 100°С. Выше этой температуры, как…

Пористые керамические и стеклокерамические материалы

1) получение исходных порошков, 2} консолидация порошков, т.е. изготовление компактных мате­риалов; 3) обработка и контроль изделий.

Пористые металлические материалы

Высокопористые порошковые металлические материалы, благо­даря жесткому пространственному каркасу, имеют более высокую прочность. Они выдерживают… Технология изготовления металлических пористых элементов за­висит от формы и…

Экспериментальная часть

1. Определить водопоглощение полимерных материалов.

1.1. Взвесить образцы полимерных материалов до испытания (масса m₁).

1.2. Образцы поместить в химический стакан с водой, довести до . кипения и выдержать при температуре кипения 30 мин.

1.3. Извлечь образцы из химического стакана, промокнуть фильт­ровальной

бумагой и взвесить (масса m₂).

1.4. Результаты измерений занести в табл. 5.2.

1.5. Определить водопоглощение каждого образца по формуле

Таблица 5.2

2. Определить водопоглощение и открытую пористость стекло-I керамических материалов.

2.1. Взвесить образцы стеклокерамических материалов. Измерить размеры образцов, необходимые для вычисления объема с помощью штангельциркуля.

2.2. Поместить образцы в химический стакан, довести до кипе­ния и выдержать при температуре кипения 60 мин.

2.3. Извлечь образцы из химического стакана, взвесить. Внима­ние!Образцы не следует тщательно промокать, т.к. из относитель­но крупных нор удалится вода.

2.4. Определить водопоглощение каждого образца по вышеприведенной формуле.

2.5. Определить кажущуюся плотность образцов, используя формулу

2.6. Вычислить кажущуюся (открытую) пористость П_к:

2.7. Результаты вычислений занести в табл 5.3.

Таблица 5.3

3. По экспериментальным результатам провести сравнительный анализ и сформулировать выводы.