3. Пластические массы

Понятие. Составные части. Свойства и применение. Пластмассы как диэлектрики, конструкционные, химически стойкие, антифрикционные, фрикционные и декоративные. Металлопластмассовые изделия. Понятия о методах переработки пластмасс в изделия, в особенностях их структуры. Использование пластмасс в транспортном маши­ностроении, строительстве и на железнодорожном транспорте. Технико-экономическая эффектив­ность применения пластмасс.

II. Методические указания к изучению дисциплины

1.Строение металлов

Дисциплина включает изучение материалов, резко отличающихся по структуре, свойствам и применению.

Необходимо уяснить, что свойства металлов определяются особенностями их структуры. Нужно чётко представлять принципиальную разницу в строении кристал­лических и аморфных тел; разобраться в форме элементарных ячеек пространственных кристаллических решёток металлов; понять, чем объясняется анизотропия свойств крис­таллов, в чём физический смысл аллотропических превращений, а также практическое значение аллотропии (полиморфизма).

Важным является усвоение существенного отличия реального строения кристал­лической решетки металла от идеального, лишённого структурных несовершенств.

Более или менее правильное расположение атомов встречается лишь в отдельных частях реальных кристаллитов, а также в монокристаллах. Различные несовершенства строения решетки: линейные искажения (дислокация), пустоты (вакации), включения чужеродных атомов примесей (точечные нарушения), а также их перемещения, скоп­ления и т.п. в значительной мере определяют уровень прочности металла. Это влияние не однозначно: при некоторых значениях концентраций несовершенств прочность стано­вится минимальной (отожженные сплавы). Уменьшением количества дефектов прибли­жаемся к идеальному строению кристаллических тел и соответственно к теоретической максимальной прочности. Тонкой очисткой от примесей (химическим разложением, электрошлаковым переплавом, вакуумированием и др.) добиваются повышения прочности железа в ~ 75 раз. Повышения прочности в 5-7 раз по сравнению с мини­мальным значением в отожженных сплавах можно добиться и увеличением количества несовершенств структуры до плотности 10¹² см^-2 наклепом, закалкой, легированием.

При изучении процессов расплавления и кристаллизации необходимо уяснить причины, приводящие к структурным и фазовым превращениям: стремление к образованию центров кристаллизации, росту кристаллитов с наименьшим запасом свободной энергии. Нужно иметь в виду, что образование дендритной структуры при кристаллизации является следствием неравнозначных условий роста кристаллитов в разных частях слитка (отливки).

Необходимо изучить и уметь пользоваться диаграммой состояния железо-цементит. Знать состав, строение и условие образования различных фаз и структурных составляющих изучаемой системы. Уяснить, в чем структурное различие между техническим железом, сталью и чугуном; четко представлять, как влияет углерод и нормальные (постоянные) примеси Si и Mn на свойства сталей, в чем состоит вредное влияние P и S, что определяет явление хладноломкости и красноломкости стали. Нужно понять, в чем отличие технических характеристик сталей обыкновенного качества и конструкционных качественных, знать маркировку сталей в соответствии с действую­щими ГОСТами. Химический состав и механические свойства для углеродистых сталей обыкновенного качества устанавливают по ГОСТ 380, для углеродистых качественных сталей – ГОСТ 1050, для углеродистых инструментальных сталей – ГОСТ 1435, для легированных сталей – ГОСТ 19281, 14959, 4543, 5950, 19265 и др.

При изучении процесса графитизации чугуна важно уяснить, каково влияние фор­мы графита на его механические и эксплуатационные свойства, а также влияние Si, Mn, S, P и модифицирующих элементов. Серые чугуны по ГОСТ 1412 маркируются СЧ25, где СЧ – серый чугун, 25 – предел прочности при растяжении _в=25 кгс/мм² (250 МПа). Известно, что для чугунов характерно соотношение 4_{в раст} = 2_{в изг} = _{в сж}, т.е. чугун лучше работает на сжатие. В марке ковких чугунов (ГОСТ 1215) добавляется показатель относительного удлинения КЧ45-7, где КЧ – ковкий; 45 – предел прочности при растяже­нии _в = 45 кгс/мм² (450 МПа), 7 – относительное удлинение , %. Пример маркировки высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293) – ВЧ 80, где 80 обозначает _в = 80 кгс/мм² (800 МПа).

Необходимо уяснить связь между характером нагружения (статическое, динами­ческое), напряженного состояния (видом напряжений – касательные и нормальные) и разрушения (вязкое, хрупкое). Важно усвоить, что поведение одного и того же сплава в образце при простом нагружении, например при растяжении или изгибе, и в детали при сложном нагружении, например при одновременном действии изгиба и кручения, раз­лично. Важно представлять влияние скорости нагружения, температуры и напряжения на характер разрушения; усвоить, что способность пластически деформироваться приводит к увеличению плотности дислокаций, изменению тонкой структуры и соответственно к изменению свойств сплавов (_в, _0,2 – повышаются, а  - снижается).

Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, предел текучести растет быстрее временного сопротивления разрыву. Предельное состояние наклепанного металла характеризуется _в = _Т, =0. дальнейшее деформирование металла заготовки приводит к разрушению. Наклепанные сплавы состоят из разноосных кристаллитов, свойства их зависят от направления приложения нагрузки (анизотропия). Неоднородность свойств материала сплава нежелательна для детали сборочной единицы. Сделать структуру однородной, состоящей из равноосных кристаллитов, можно, приме­нив рекристаллизационный отжиг.

При рассмотрении рекристаллизационных процессов следует четко разграничить три стадии (возврат, первичную и собирательную рекристаллизацию), связав изменения микроструктуры с изменением свойств по стадиям. Необходимо отметить практическое значение температуры «порога» рекристаллизации в технологии обработки металлов давлением. Важно оценить конструкционную прочность деталей машин в связи с наличием концентратов напряжений: надрезов, рисок, выточек и с характером нагружения.

Термическая обработка – один из главных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. Вопросы термической обработки стали и чугуна можно понять, лишь зная структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Необходимо помнить, какие превращения претерпевают феррит, перлит и ледебурит при нагреве, и какое влияние оказывает скорость охлаждения на превращения аустенита (диаграмма Fe–Fe₃C). Вопросы превращения аустенита при охлаждении лучше разобрать, используя диаграмму изотермического распада аустенита, и на ее основе уяснить, при каких режимах охлаждения образуются перлит, сорбит, троостит и мартенсит, что называется критической скоростью закалки, в чем различия между мартенситом и другими структурами. Следует иметь в виду, что чем ниже содержание углерода в стали, тем больше критическая скорость закалки, вследствие чего низкоуглеродистые стали (менее 0,3%С) в реально достигаемых условиях охлаждения не воспринимают закалку на мартенсит.

Нужно усвоить, что образование мартенсита при охлаждении со скоростью V>V_крит сопровождается перестройкой гранецентрированной элементарной кристаллической ячейки в объемноцентрированную. Последняя деформируется из-за пересыщения углеродом и приобретает тетрагональность.

Процесс образования мартенсита сопровождается заметным увеличением объема, происходит в интервале температур начала M_н (от + 280 до + 100С) и конца M_к (от + 200 до -110°С) мартенситного превращения тем полнее, чем выше значение температуры М_к. Небольшое количество остаточного аустенита (1-3%) сохраняется в сталях, температура М_к которых выше 20-25С. Интервал мартенситного превращения при увеличении содержания углерода смещается в область более низких температур. Часть аустенита в высокоуглеродистых сталях, находясь между образовавшимися пластинами мартенсита в состоянии всестороннего сжатия, не превращается в мартенсит. Этот остаточный аустенит снижает твердость сталей. Снизить количество остаточного аустенита можно охлаждением до отрицательных температур. Такая обработка называется обработкой холодом. Иногда ее проводят дополнительно, сразу после закалки (быстрорежущая сталь Р18).

Закалкой деталей даже в самых сильных охладителях невозможно добиться оди­наковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины. Закаливаемость и прокали­ваемость - важнейшие характеристики стали, упрочняемой термической обработкой. Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали. Прокаливаемость - способность стали закаливаться (образовывать мартенситные слои) на определенную глубину.

Закаленные на мартенсит или М + К + А_ост стали подвергают нагреву для снятия напряжений и превращения мартенсита в троостит или сорбит для доэвтектоидных сталей. Структурные превращения обуславливаются различными параметрами нагрева (низкий, средний, высокий) при отпуске, уменьшают степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита, создают условия для перехода аустенита остаточного в мартенсит и для распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Под улучшением стали понимают закалку доэвтектоидных сталей на мартенсит с последующим высоким отпуском, обеспечивающим формирование структуры сорбит. Стали, подвергаемые термической обработке на структуру сорбит, называют улучшаемыми (БСт5, ВСт5, 35, 40, 45, 50, 55, 40Х, 50Х, 38ХНЗМА и др.).

Термическую обработку чугунных отливок (деталей) проводят для снятия внутренних напряжений, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием. Различают отжиг для снятия внутренних напряжений, смягчающий отжиг, графитизи­рующий и нормализацию. Для повышения твердости отливок используют закалку, в том числе изотермическую и поверхностную. Рассматривая термическую обработку чугуна белого, необходимо уяснить, что разложение цементита сопровождается выделе­нием углерода в свободном состоянии (графитизирующий отжиг), формирующаяся структура отличается по свойствам от начальной: НВ, _в снижаются, а непластичный сплав превращается в сплав с величиной >2%.

Изменения структуры и свойств детали сложно инициировать по всему объему, особенно в крупногабаритных деталях. Прокаливаемость оценивают критическим диаметром заготовки, в которой закаливанием формируют мартенсит закалки в структуре (НВ→max). Однако для деталей, работающих в условиях трения поверхностных слоев, достаточно эффективными способами являются способы, обеспечивающие повышение твердости и износостойкости только наружных слоев на глубину 1-3 мм, вязкость и пластичность внутренних слоев сохраняются.

Поверхностная прочность деталей может быть повышена непосредственно термической обработкой (поверхностная закалка), химико-термической обработкой и пластической деформацей поверхности. Важно уяснить, какие стали относятся к улучшаемым, а какие – к цементуемым, а следовательно, какому способу упрочнения можно подвергнуть деталь, изготовленную из той или иной марки стали.

При изучении различных способов поверхностного упрочнения особое внимание нужно уделять высокочастотной закалке деталей. Изучение различных видов химико-термической обработки надлежит начать с цементации в твердой, жидкой и газовой средах. После этого легче понять и другие процессы, так как принцип всех видов химико-термической обработки один и тот же: получение насыщающего вещества (С, N и др.) в атомарной форме, захват атомов вещества поверхностью сплава детали и диффузия атомов на некоторую глубину. Необходимо уяснить назначение отдельных процессов, а также свойства (износоустойчивость, усталостная прочность, коррозионная выносливость), приобретаемые поверхностью изделий.

Рассматривая влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей, необходимо изучить особенности вновь появляющихся фаз: легированного феррита, легированного аустенита и специальных карбидов. Нужно иметь в виду, что принципы термической обработки для легированных сталей остаются неизменными. Однако изме­няются температуры нагрева, критические скорости закалки, глубина прокаливаемости для различных видов термической обработки. Надо помнить, что разные легирующие элементы и разная степень легирования придают сталям различную структуру и свойства после термической обработки.

Необходимо ознакомиться с литыми и порошковыми твердыми сплавами, приме­няемыми как для наплавки изнашивающихся поверхностей деталей машин, так и для пластинок режущего инструмента. Особое внимание нужно обратить на красностойкость и твердость этих сплавов.

Следует изучить технологию производства порошковых материалов, которая позволяет получать разнообразные изделия с весьма ценными свойствами при минимальных затратах. Необходимо знать основные виды изделий порошковой металлургии, их свойства и область использования.

Следует уяснить, почему чистые цветные металлы применяются ограниченно, а сплавы на основе меди, алюминия и титана – более широко. Важно ознакомиться с диаг­раммами состояний сплавов: медь – цинк (латуни), медь – олово (оловянистая бронза), алюминий – кремний (силумины), алюминий – цинк и алюминий – медь (дюралюми­ны), с тем чтобы выяснить взаимозависимость структуры и свойств промышленных сплавов. Необходимо понять, чем отличаются сплавы, из которых получают изделия методами пластической деформации при обработке давлением, и литьем. Следует изучить маркировку легких сплавов (магний, алюминий и титан), знать области их применения на железнодорожном транспорте и уметь привести конкретные примеры.

Магниевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, хорошо пог­лощают вибрации, обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются арго­нодуговой и контактной сваркой. Легируют сплавы Mn, Al, Zn. Марганец повышает коррозионную стойкость, алюминий и цинк изменяют прочность и пластичность спла­вов. По технологии изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые. Литейные сплавы МЛ5 и другие характеризуются σ_в=115 МПа, δ=8%, НВ30. Деформированный (прессованный) сплав (МА1 и др.) обладает более высоким комплексом механических свойств: σ_в=200 МПа, δ=11,5%, НВ40. Из сплавов магния изготавливают корпуса насосов, приборов, рамы двигателя, кожухи, топливные баки.

Алюминиевые сплавы маркируют буквами с цифрами (старая маркировка) и новая маркировка – цифровая. Деформируемые сплавы АМц с марганцем (ГОСТ 4784), дуралюмины Д1, Д16 с медью и магнием. Сплав АМr6 содержит 6% по массе марганца, после деформации с обжатием 30% имеет σ_в=430 МПа, σ_0,2=300 МПа, δ=10%. Литейный сплав с 10-13% по массе кремния (АЛ2) характеризуется прочностью σ_в=200 МПа, δ=4%, НВ50 (ГОСТ 2685).

Сплав АМц в цифровой маркировке обозначается 1400, сплав Д1 – 1100, сплав АМr5 – 1550. Первая цифра (1) указывает основу сплава – алюминий, вторая цифра – основные легирующие элементы, третья цифра – порядковый номер сплава, последняя цифра обозначает: деформируемый сплав (0 или нечетное число), литейный (четное число), металлокерамический (9), проволочный (7).

Алюминиевые сплавы разделяются также по способности упрочняться термичес­кой обработкой на упрочняемые (закалка, старение) и неупрочняемые. Особое внима­ние нужно обратить на теорию старения деформируемых алюминиевых сплавов, изучив превращения в структуре и вызванных ими изменениях свойств при закалке и последующем искусственном старении, разобраться в физической сущности упрочнения при старении (когерентность кристаллических решеток твердого раствора и образующегося химического соединения).

Вследствие невысоких механических характеристик алюминиевые сплавы применяют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конструкций, главными эксплуатационными качествами которых являются теплопроводность, коррозионная стойкость, небольшая масса.

Титановые сплавы легируют для повышения прочности Fe, Al, Mn, Cr, Si, жаропрочность увеличивают Al, Zr, Mo, коррозионную стойкость – Mo, Nb, Zr, Tа. Сплавы титана в зависимости от их стабильной структуры (после отжига) разделяют на α-сплавы, (α+β)-сплавы и β-сплавы. По технологии производства изделий классифици­руются: деформируемые, литейные, порошковые. По физико-химическим и механичес­ким свойствам различают сплавы высокопрочные, обычной прочности, высокопластич­ные, жаропрочные, коррозионно-стойкие.

Сплав ВТ5 (5% по массе Al) относится к α-сплаву, в отожженном состоянии: σ_в=750÷950 МПа, σ_0,2=700÷800 МПа, δ=10÷14%, НВ=229÷321. Листы, проволоку, профили получают обработкой давлением в горячем состоянии. Литейный сплав ВТ5Л по составу близок аналогичному деформируемому сплаву. Он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается, фасонные отливки из сплава работают при температурах до 400⁰С. Сплав имеет невысокую прочность, σ_в=800 МПа. Термообработка резко снижает пластичность литейных сплавов и поэтому не применяется.

Из сплавов титана изготавливают обшивку самолетов, морских судов, корпуса двигателей, баллоны для сжиженных газов, емкости для химически агрессивных сред.

По ГОСТ 859 медь маркируется М00, М0, М1, М2, М3 в зависимости от содержания примесей. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083⁰С. Недостатки меди: большая усадка при литье, горячеломкость, сложность обработки резанием. Сплавы меди с цинком называют латунями, а со всеми другими легирующими элементами (Al, Ni, Zn и др.) – бронзами. Деформируемая латунь (ГОСТ 15527) легированная ЛАН59-3-2 содержит 59% Сu, 3% Al, 2% Ni, Zn – остальное. Прочность σ_в≈400 МПа, δ=15%, НВ 85. Маркировка литейных латуней (ГОСТ 17711) начинается с буквы Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая на процентное содержание в сплаве. Латунь ЛЦ23А6Ж3Мц содержит 23% Zn, 6% Al, 3% Fe, 2% Mn.

Бронзы маркируют буквами Бр. В деформируемых бронзах (ГОСТ 5017, 18175) буквами последовательно указывают легирующие элементы и в конце приводят их содержание в сплаве. БрОФ 6,5-0,4 содержит 6,5% Sn и 0,4% Р, Cu – остальное. Маркировка литейных бронз (ГОСТ 613, 493): БрО3Ц12С5 указывает на содержание 3%Sn, 12%Zn и 5%Р. Оловянные бронзы используют для изготовления подпятников, подшипников, уплотняющих втулок и др. деталей, работающих на трение. Из алюминиевых бронз изготавливают шестерни, втулки, подшипники.

Необходимо ознакомиться со структурой и свойствами подшипниковых сплавов - баббитов, обратив внимание на применяющийся в подвижном составе кальциевый баббит.

Среди неметаллических материалов очень важны синтетические полимер­ные материалы. При изучении их структуры необходимо обратить внимание на форму элементарных звеньев и расположение химических связей и звеньев макромо­лекул полимеров. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, эластичном и текучем. Причем состояние полимера обусловлено его структурой и температурой. Свойства полимеров зависят от их химического состава (карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические), а также от количест­венного соотношения атомов в молекуле и их сочетания. Например, замена водо­рода углеводородным радикалом приводит к увеличению эластичности и морозо­стойкости, снижению прочности, твердости и теплостойкости.

Важно четко представлять, что полимер – химическое вещество специфи­ческого строения, а полимерный материал – технический продукт, изготовленный из полимера или на его основе. Ни одна отрасль техники не обходится без применения синтетических полимерных материалов. Следует усвоить принципы классифика­ции синтетических смол и пластмасс в зависимости от реакции получения поли­мера, назначения и его структуры, а также от физико-механических свойств.

Важно уметь оценивать эксплуатационные свойства пластмасс, так как в ряде случаев они с успехом заменяют другие, в том числе металлические материалы. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), например, превышает по удельной прочности сталь, титан и дуралюминий; политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) обладает высокими диэлектричес­кими свойствами, а ретинакс – высокими фрикционными свойствами.

Необходимо выяснить роль защитных покрытий металлических и неметалличес­ких изделий, изучить классификацию покрытий, технические требования к ним.

В современной технике используются четыре вида конструкционных материалов: металл, керамика, композиты и пластмассы, отличающиеся соотношением прочности и пластичности. Керамика обладает высокой прочностью, но низкой вязкостью. Из неё нельзя делать детали, работающие на растяжение. Композиционные материалы можно создавать практически с любыми заданными свойствами. Эти материалы состоят из двух и более компонентов (волокон, частиц и др. и матрицы), объединенных различными способами в монолит. Свойства композита отличаются от свойств компо­нентов, образующих его. Материал однороден на макроуровне и неоднороден на микроуровне, характеризуется высокой удельной прочностью. Тип матрицы определяет классы композитов: полимерные, металлические, керамические. Стеклопластик СВАМ на полимерном связующем имеет _в=200...600 МПа, температура эксплуатации для него 200...400С, по удельной прочности превосходит сталь _в=600 МПа в 3,5 раза. Материалы на основе полимеров отличает низкая конструкционная жесткость, узкий температурный интервал сохранения прочности, отсутствие методов регенерации (утилизации) для пластмасс из термореактивных полимеров.