Лекция 21. Древесные материалы

Древесина широко используется в технике как строительный и поделочный материал, как сырье для производства целлюлозы, бумаги, этилового спирта, синтетического каучука, различных лаков, красок, кормовых дрожжей, хвойной муки и т.д. В растущем дереве можно условно выделить три части: корни, ствол и крону.

Корни дерева образуют сложную, широко разветвленную, многофункциональную систему. Мелкие корни всасывают из почвы воду с растворенными в ней минеральными солями и углекислотой и передают ее через крупные корни и ствол в крону (восходящий ток). Крупные корни удерживают дерево в вертикальном положении и хранят запас питательных веществ. Корни сосны используются при производстве скипидара и канифоли.

Ствол – это основная часть дерева, дающая товарную древесину. Его условно делят на верхнюю тонкую (вершинную) и нижнюю толстую (комлевую) части.

Крона дерева представляет собой совокупность вершины ствола, сучьев, ветвей и листвы (или хвои).

Разрезы ствола наиболее полно отражающие природу капиллярно-пористого строения древесины, называются главными. Различают три главных разреза: поперечный, или торцовый, – разрез плоскостью, перпендикулярной оси ствола;, радиальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола через его сердцевину; тангенциальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола на некотором расстоянии от его сердцевины.

Строение древесины, наблюдаемое на главных разрезах невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроскопическим. На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, центральную часть, луб и кору. Сердцевина расположена примерно в центре ствола. У большинства пород она наблюдается в виде темного круглого пятнышка диаметром 2...5 мм (у бузины около 10 мм).

Центральная часть – основная по массе часть ствола. В зависимости от окраски центральной части различают породы ядровые и безъядровые. У ядровых пород центральная часть (ядро) окрашена темнее, периферическая зона, ограничивающая ядро (заболонь), окрашена светлее.

Ядровые породы подразделяются на хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, можжевельник, тис) и лиственные (дуб, ясень, ильм, карагач, грецкий орех, тополь, ива, рябина, яблоня и др.). Безъядровые породы, у которых окраска древесины и содержание в ней влаги по всей массе одинаковы, называются заболонными. К ним относятся береза, липа, ольха, граб, клен, груша, самшит и др.

Породы, у которых окраска древесины по всему разрезу одинакова, но центральная часть содержит меньше влаги, чем периферийная, называют спелодревесными. Древесина таких пород называется спелой, к ним относятся: хвойные – ель, пихта; лиственные – осина и бук.

Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашена темнее (главным образом под влиянием грибов) и образует так называемое ложное ядро.

Камбий – тонкий, не различимый невооруженным глазом слой, расположенный на границе между заболонью и лубом. Состоит из живых клеток, обусловливающих прирост древесины и коры.

Луб расположен между камбием и корой. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола (нисходящий ток).

Кора – наружный слой ствола дерева, предохраняющий его от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений. По химическому составу кора резко отличается от древесины.

На поперечном разрезе стволов деревьев, произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждый такой слой представляет собой ежегодный прирост древесины – годичный слой. Он состоит из двух зон, содержащих раннюю и позднюю древесину. Ранняя древесина образуется в весенний период – период интенсивного роста дерева. Она окрашена светлее и более рыхлая, чем поздняя, обладает невысокой механической прочностью и расположена с внутренней стороны годового слоя.

Поздняя древесина более темная, более плотная, расположена с наружной стороны годового слоя (обращена к коре).

Ширина годичных слоев зависит от породы древесины, условий ее произрастания и положения в стволе. Узкие годичные слои образуются у медленно растущих пород деревьев (самшит, дуб и др.), широкие – у быстрорастущих пород (тополь, ива и др.).

Сосуды имеют форму трубок различного диаметра и различной длины (в зависимости от породы дерева) и имеются только в лиственных породах. В зависимости от размеров и распределения сосудов по годичному слою различают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые породы

В кольцесосудистых породах сосуды четко разделяются по размерам (крупные и мелкие) и распределению: крупные сосредоточены в ранней зоне годичного слоя и образуют на поперечном разрезе пористое кольцо, а мелкие – в поздней зоне годичного слоя, где они заметны благодаря более светлой окраске.

В рассеянно-сосудистых породах нет резкого разделения сосудов по размерам, и располагаются они более или менее равномерно пой всему годичному слою. К рассеянно-сосудистым относятся береза, осина, ольха, липа, бук, клен, рябина и др.

Сердцевинные лучи есть в древесине всех пород. У немногих пород (дуб, бук, платан) они настолько широки, что ясно видны невооруженным глазом на поперечном разрезе. Большинство древесных пород имеют узкие, трудно различимые сердцевинные лучи. На радиальном разрезе древесины сердцевинные лучи заметны в виде поперечных полос различной величины. Сочетание их образует своеобразный рисунок (текстуру). На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют чечевицеобразную или веретенообразную форму.

В стволе древесины хвойных пород имеются вертикальные и горизонтальные смоляные ходы – тонкие, наполненные смолой каналы. Горизонтальные ходы проходят по сердцевинным лучам и; соединяются с вертикальными ходами.

 

Лекция 22. Стекло

Стеклом называют все аморфные тела независимо от химического состава и температурной области затвердевания, полученные путем переохлаждения расплава и приобретшие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел.

Стекла подразделяются на природные и искусственные. Искусственные стекла бывают органическими и неорганическими.

Неорганическое стекло получают из неорганических материалов. Состав стекла может быть выражен формулой Me₂O×RO×6SiO₂, где группа Ме₂О представляет собой окислы щелочных металлов (Na₂O, K₂О, Li₂О), RO – окислы щелочноземельных металлов (СаО, ВаО), а также окислы свинца, цинка и других металлов. Ионы щелочных и щелочноземельных металлов называют модификаторами.

В зависимости от стеклообразующего окисла, на основе которого изготовляют стекло, различают силикатное (на основе SiO₂), боратное (на основе В₂О₃), боросиликатное (на основе В₂О₃ и SiO₂) и фосфатное (на основе Р₂О₅).

Структура стекла напоминает жидкость. Поэтому стекла рассматривают как переохлажденные жидкие растворы, в которых как бы «заморожено» беспорядочное расположение отдельных молекул, обладающих лишь колебательными движениями. Но в силикатных свеклах имеется пространственная сетка – кристаллический каркас, образуемый кремнеземом.

Сырьем для получения стекла служат кварцевый песок, борная кислота, бура, мел, известняк, мрамор, доломит, сода, сернокислый натрий и поташ. Среди вспомогательных материалов различают осветлители, окислители, красители, восстановители, глушители.

Осветлители вводят в расплав стекла для удаления газовых включений, образующихся при варке стекольной массы (трехокись мышьяка, натриевая селитра и др.). Окислители служат для обесцвечивания стекла (натриевая селитра, пиролюзит).

Красители используются для получения цветного стекла. Роль красителей выполняют соединения, чаще оксиды селена, хрома, кадмия и других металлов, а также золото.

Восстановители добавляют для восстановления оксидов, применяющихся в качестве красителей. Восстановителями служат древесный уголь, древесные опилки, кокс, металлический магний, алюминий, олово и др.

Глушители используются для получения непрозрачного кристаллического стекла с высокодисперсной структурой – опалового или молочного. Для этого в состав стекол вводят криолит, плавиковый шпат, кремнефтористый натрий, фосфат кальция, окислы цинка, циркония, титана, олова и другие вещества.

Широкое применение получило кварцевое стекло (состоит практически из одного SiO₂). Оно обладает преимуществами перед обыкновенным стеклом; выдерживает высокую температуру (точка плавления кварца около 1500°С) и пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обыкновенное стекло задерживает; имеет ничтожный коэффициент расширения – при нагревании или охлаждении объем стекла практически не изменяется (изделия из кварцевого стекла не боятся контраста температур).

Листовое стекло бывает:

1 полированным (для остекления пассажирских быстроходных вагонов) и неполированным (для тихоходного транспорта);

2 закаленным (для остекления тракторов, сельскохозяйственных машин, судовых иллюминаторов), закаленным эмалированным (окрашивают с одной стороны эмалевой краской и термически обрабатывают с целью закрепления слоя);

3 безосколочным типа триплекс (трехслойная композиция, состоящая из двух стекол, соединенных вязкой прозрачной полимерной прослойкой, для остекления автомобилей).

В зависимости от назначения строительное и тарно-бытовое.

В строительстве применяют листовое оконное стекло, витринное, облицовочное, армированное, профильное, стеклоблоки и т.д. Строительное листовое стекло идет для остекления зданий (толщина 2...6 мм), витрин (толщина 6,5...8 мм), облицовки фасадов и внутренних помещений.

Из тарно-бытового стекла делают различную посуду, емкости для хранений и транспортировки жидкости и др.

Ситаллы

С помощью специальных методов обработки в 60-х годах нашего столетия был получен новый класс материалов – ситаллы. Они обладают сочетанием физических и механических свойств: имеют высокую прочность; жесткость выше, чем у сплавов алюминия, магния и даже титана твердость порядка 400...800 HB (4000...8000 МПа); очень высокое сопротивление истиранию и абразивному износу (почти как у сапфира).

Совокупность свойств ситаллов обеспечивается их строением – это многофазная поликристаллическая структура с аморфными прослойками остаточного стекла. Количество кристаллической фазы может находиться в пределах от 60 до 95%, структура / мелкозернистая (размеры кристаллов 0,01...1,0 мкм) и однородная. Ситаллы с 40% остаточного стекла сохраняют прозрачность.

Производство ситаллов осуществляется в три 3 этапа: варка стекла, формование изделий, ситаллизация.

По способу получения различают термо-, фото- и шлакоситаллы.

Термоситаллы получают путем двойного отжига стеклоизделий. Во время первого отжига сульфиды, фториды, окислы титана, магния, кальция и др. образуют большое количество центров кристаллизации. Второй отжиг проводится при более высокой температуре, его цель – кристаллизация на готовых центрах. В результате образуется мелкозернистая структура.

Фотоситаллы получают из светочувствительных стекол. При облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в стекле появляются свободные электроны, которые восстанавливают часть ионов до металлического состояния. Чем интенсивнее облучение, тем больше восстанавливается ионов Ag, Си, При последующем отжиге металлические ионы группируются, образуя коллоидные частицы металлов – центры кристаллизации.

Шлакоситаллы получают на основе доменного шлаки, катализаторами служат порошки железа, сульфиды, соединения фтора.

Лекция 23. Керамика

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы (HRA 86...92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800...1000°C); они делятся на три группы: одно-, двух- и трехкарбидные.

Однокарбидные твердые сплавы, которые содержат карбиды вольфрама, называют вольфрамокобальтовыми (группа ВК), В марках ВК3, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама. Сплавы этой группы наиболее прочные, с увеличением содержания кобальта сплавы повышают сопротивление ударным нагрузкам, одновременно снижается износостойкость.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо группы ВК содержат еще карбиды титана, поэтому их называют титановольфрамокобальтовыми (группа ТВК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы «Т» показывают процентное содержание карбидов титана, после буквы «К» – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Эти сплавы менее прочны и более износостойки, чем сплавы первой группы.

Трехкарбидные твердые сплавы содержат еще и карбиды тантала и поэтому называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед буквой «К» показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы «К» – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Сплавы обладают повышенными прочностью, износостойкостью и вязкостью.

Литература

1. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка): Учеб. пособие. – 4-е изд. – М.: Академия, 2006.

2. Барташевич А.А. Материаловедение: Учеб. пособие. – Ростов н/Д, 2004.

3. Жихарев А.П. Материаловедение: Учеб. пособие. – М.: Академия, 2005.

4. Комаров О.С. Технология конструкционных материалов. – Мн.: Новое знание, 2005. – 559 с.

5. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Соколов В.С. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высш. шк., 2001. – 637 с.