Тема 1. Основные свойства металлов и их сплавов

Материаловедение.

Тема 1. Основные свойства металлов и их сплавов

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение как «чистый металл» оно весьма условно, так как любой чистый металл содержит примеси. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Физические свойства.

К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см² за 1 мин.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое.

Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Механические свойства.

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость. Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Пластичность - способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

1

Технологические свойства.

Пластичность - способность металла, подвергнутого нагрузке, деформироваться под действием внешних сил без разрушения и давать остаточную (сохраняющуюся после снятия нагрузки) деформацию.

Ковкость - способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.д.) называется его ковкостью. Ковкость металла зависит от его пластичности. Пластичные металлы обычно обладают и хорошей ковкостью.

Усадка - усадкой металла называется сокращение объема расплавленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры.

Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла заполнять форму и давать хорошие отливки, точно воспроизводящие форму. Жидкотекучесть металла определяется его вязкостью в расплавленном состоянии.

Износостойкость - способность металла сопротивляться истиранию, разрушению поверхности или изменению размеров под действием трения называется износостойкостью.

Коррозионная стойкость - способность металла сопротивляться химическому или электрохимическому разрушению его во внешней влажной среде под действием химических реактивов и при повышенных температурах называется коррозионной стойкостью.

Обрабатываемость - способность металла обрабатываться при помощи различных режущих инструментов называется обрабатываемостью.

 

Виды защиты от коррозии

Различают три вида защиты от коррозии:

• Конструкционный

• Активный

• Пассивный

 

Конструкционный метод включает в себя использование сплавов металлов, резиновых прокладок и др.

Одним из активных методов борьбы с коррозией является использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.

Пассивная борьба с коррозией – это применение эмалей, лаков, оцинковки и т.п. Покрытие металлов эмалями и лаками направлено на изоляцию металлов от окружающей среды: воздуха, воды, кислот и пр. Оцинковка кроме физической изоляции от внешней среды, даже в случае повреждения ее слоя, не даст развиваться коррозии металла, т.к. цинк коррозирует охотнее железа.

Защита металла от коррозии. Для защиты металла от коррозии применяют различные способы.

Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавеющие легированные стали, содержащие в большом количестве хром, который, образуя на поверхности оксидные пленки, приводит сталь в пассивное состояние.

Защитные покрытия представляют собой пленки (металлические, оксидные, лакокрасочные и т.п.).

Металлические покрытия бывают двух типов — анодные и катодные. Для анодного покрытия используют цинк, хром. Для катодного покрытия выбирают медь, олово, свинец. Металлические покрытия наносят горячим методом, гальваническим и металлизацией.

Гальванический метод защиты состоит в том, что на поверхности изделия путем электролитического осаждения из растворов солей создается тонкий слой защищаемого металла. Металлизация — покрытие поверхности детали расплавленным металлом, распыленным сжатым воздухом. Преимуществом этого метода защиты металла является то, что покрывать расплавом можно уже собранные конструкции. Недостаток заключается в том, что получается шероховатая поверхность.

Металлические покрытия можно наносить также посредством диффузии металла покрытия в основной металл— алитирование, силицирование, хромирование, а также способом плакирования, т.е. наложения на основной металл тонкого слоя защитного металла (биметалл) и закрепления его путем горячей прокатки (например, железо — медный сплав, дюралюминий — чистый алюминий).

Оксидирование - защита оксидными пленками. Для этого естественную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более прочной путем обработки сильным окислителем, например концентрированной азотной кислотой, растворами марганцевой или хромовой кислот и их солей. Частным случаем оксидирования является воронение стали. В этом случае на поверхности также создается оксидная пленка, но более сложными приемами, связанными с многократной термической обработкой при температуре ЗО0...40О°С в присутствии древесного угля.

Фосфатирование состоит в получении на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца в результате погружения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.

Лакокрасочные покрытия основаны на механической защите металла пленкой из различных красок и лаков. Ванны, раковины, декоративные изделия для защиты от коррозии покрывают эмалью, т. е. наплавляют на металл при температуре 750...800°С различные комбинации силикатов.

При временной защите металлических изделий от коррозии (транспортировании, складировании) используют для покрытия металла невысыхающие масла (технический вазелин, лак этиноль), а также ингибиторы, т. е. вещества, замедляющие протекание реакции (нитрит натрия с углекислым аммонием, с уротропином, ингибиторную бумагу и др.).

 

6

Классификация пластмасс.

В зависимости от входящих компонентов все пластмассы можно разделить на следующие виды:

Пресспорошки — пластмассы с порошкообразными наполнителями;

Волокниты — пластмассы с волокнистыми Наполнителями (хлопчатобумажные волокна, стекловолокна, асбестовые волокна);

Слоистые пластики — пластмассы с наполнителями в виде ткани или бумаги (текстолит, стеклотекстолит, гетинакс);

Литьевые массы — пластики, обычно состоящие только из одного компонента — смолы; эти массы классифицируют по типу смолы;

Листовые термопластмассы, состоящие из смолы и небольшого количества пластификатора и стабилизатора (органическое стекло, винипласт).

В зависимости от связующего вещества при нагреве пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные пластмассы при нагреве до определенной температуры размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы необратимы: отходы в виде грата и бракованные детали обычно используют после измельчения только в качестве наполнителя при производстве пресспорошков.

Термопластичные пластмассы при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термопластичные пластмассы обратимы, но после повторной переработки пластмасс в детали физико-механические свойства их несколько ухудшаются.

В зависимости от области применения различают пластмассы:

а) общего назначения (пресспорошки);

б) с высокими диэлектрическими свойствами (полиэтилен, полипропилен, полистирол, гетинакс и др.);

в) конструкционные (текстолит, стеклотекстолит, стекловолокнит и др.);

г) обладающие фрикционными свойствами (асботекстолит, асбоволокнит и др.);

д) обладающие антифрикционными свойствами (волокниты, полиамиды, фторопласт и др.);

е) химически стойкие (фторопласт, полиэтилен, полипропилен, винипласт и др.);

ж) теплостойкие (стеклопластики на основе кремнийорганических смол, фторопласты, поликарбонаты);

з) теплоизоляционные (газонаполненные пластмассы — пенопласты, поропласты) и т. д.

Газонаполненные пластмассы.

Газонаполненные пластмассы

Структура этих пластмасс: эластичный полимер как связка, который образует стенки элементарных ячеек или пор с распределенной в них фазой – наполнителем – газом.

Подобная структура определяет малую плотность и высокие теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства.

Пенопласт изготавливают на основе полистирола, поливинилхлорида, фенола, эпоксидных смол, полиуретана, поролона и др. полимеров при их вспенивании в состоянии высокоэластичной деформации. Пенопласт имеют ячеистую структуру, газообразные наполнители отделены друг от друга и от окружающей среды тонким слоем полимера. Пористая структура получается введением в состав смол газообразователей.

Пенополистирол (ПС), пенополивинил-хлорид (ПВХ) способны работать до +60 °С. Фенолкаучуковые пенопласты способны работать до 120 °С. Добавки в их состав алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) повышают рабочую температуру до 250 °С.

Используются пенопласты как теплоизоляционный материал, применяемый в холодильниках, рефрежираторах, для ударопоглощающей тары, звукоизоляторов и т.д.

Поропласты (губчатые материалы) – открытодыристая структура, система ячеек с частично разрушенными перегородками. Газообразная фаза в такой системе может циркулировать. Изготавливают поропласты на основе простых полимеров, вводя в состав композиций вещества, способные выкипать при нагреве или вымываться, что приводит к образованию пор. Поропласты выпускают в виде блоков с пленкой на поверхности. Эти материалы отличаются высокой звукопоглощающей способностью.

Сотопласты изготавливают из гофрированных листов полимера, склеенных в виде пчелиных сот. Применяются для обшивки панелей и как теплоизоляционный, электроизоляционный материал.

 

Резина.

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

С увеличением содержания серы резины становится менее эластичной. При максимальном насыщении серой (30–50%) получают твердую резину (эбонит), при насыщении серой 10–15% – полутвердую резину. Обычно в резине содержится 5–8% серы.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии, и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

 

Лакокрасочные материалы.

Лакокрасочные материалы предназначаются для защиты поверхности металлических деталей от коррозии, а деревянных — от влаги и загнивания. Кроме того, лакокрасочные материалы применяют для придания деталям красивого внешнего вида.

В состав лакокрасочных материалов входят: пленкообразующие вещества, растворители, пигменты, наполнители, сиккативы и пластификаторы.

Пленкообразующие вещества (растительные масла, смолы и эфиры целлюлозы) служат для создания защитной пленки и являются связующим для порошкообразных составляющих.

Растворители — бесцветные, жидкие органические вещества — (ацетон, скипидар, уайт-спирит, сольвент, бензин, спирт и др.), служат для растворения пленкообразующих веществ. Растворители должны быстро улетучиваться с поверхности после нанесения покрытия.

 

10

Пигменты— порошкообразные вещества (окислы или соли цветных металлов, также металлические порошки (алюминиевую, бронзовую пудры) и сажу), не растворимые ни в пленкообразующем веществе, ни в растворителе. Они находятся в лакокрасочном материале во взвешенном состоянии. Пигменты придают пленке цвет и непрозрачность.

Красители— органические соединения, растворимые в пленкообразующем веществе и в растворителях. Они применяются для придания цвета лакокрасочному материалу с сохранением прозрачности.

Наполнители (мел, известь, тальк, каолин) применяют для замены части пигмента с целью удешевления лакокрасочного материала. В ряде случаев введение наполнителей способствует повышению прочности.

    Пластификаторы вводят для увеличения пластичности пленки и устранения растрескивания ее.

Сиккативы применяют для ускорения процесса высыхания лакокрасочного покрытия.

Лакокрасочные материалы в зависимости от пленкообразующих веществ подразделяются на масляные, смоляные и эфироцеллюлозные. Каждую из этих групп материалов подразделяют на лаки, эмали, шпатлевки.

Лаки — растворы пленкообразующих веществ в растворителях.

Эмали — растворы пленкообразующих веществ в растворителе с добавлением пигмента. Эмали подразделяют на грунтовочные и покровные.

Шпатлевки —-растворы пленкообразующих веществ в растворителе с добавлением пигмента и наполнителя. Содержание пигмента и наполнителя в шпатлевках берется в 2—3 раза больше, чем в эмалях, для придания соответствующей густоты.

К группе масляных лакокрасочных материалов относят масляные краски, Которые получают тщательным растиранием пигментов в масле. В настоящее время масляные краски мало применяют в промышленности из-за длительности сушки, мягкости пленки, набухания ее в воде, бензине и керосине.

Эти недостатки отсутствуют у смоляных и нитроцеллюлозных лакокрасочных материалов.

 

 

11

Материаловедение.

Тема 1. Основные свойства металлов и их сплавов

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение как «чистый металл» оно весьма условно, так как любой чистый металл содержит примеси. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Физические свойства.

К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см² за 1 мин.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое.

Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Механические свойства.

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость. Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Пластичность - способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

1

Технологические свойства.

Пластичность - способность металла, подвергнутого нагрузке, деформироваться под действием внешних сил без разрушения и давать остаточную (сохраняющуюся после снятия нагрузки) деформацию.

Ковкость - способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.д.) называется его ковкостью. Ковкость металла зависит от его пластичности. Пластичные металлы обычно обладают и хорошей ковкостью.

Усадка - усадкой металла называется сокращение объема расплавленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры.

Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла заполнять форму и давать хорошие отливки, точно воспроизводящие форму. Жидкотекучесть металла определяется его вязкостью в расплавленном состоянии.

Износостойкость - способность металла сопротивляться истиранию, разрушению поверхности или изменению размеров под действием трения называется износостойкостью.

Коррозионная стойкость - способность металла сопротивляться химическому или электрохимическому разрушению его во внешней влажной среде под действием химических реактивов и при повышенных температурах называется коррозионной стойкостью.

Обрабатываемость - способность металла обрабатываться при помощи различных режущих инструментов называется обрабатываемостью.