професора А.Д. Коваля 9 страница

Псевдо-b - сплави мають b -структуру з невеликою кількістю a -фази. Для легування використовують молібден, ванадій, хром, цирконій (сумарна кількість легувальних елементів складає приблизно 20%). Міцність таких сплавів досягає 1000 МПа.

Титанові сплави в основному піддають відпаленню, гартуванню та старінню, а також хіміко-термічній обробці. Термічна обробка для зміцнення (гартування та старіння) застосовується для сплавів з (a + b) структурою. При гартуванні сплави нагріваються до 850...950°С та охолоджуються у воді. При цьому b -фаза перетворюється в a - (чи a¢ -) фазу за мартенситним механізмом. У процесі старіння сплавів (при 400...600°С) відбувається їх зміцнення, зумовлене розпадом фаз, що утворились при гартуванні, з появою більш дисперсної структури. Міцність сплаву ВТІ6 (1,6...3,8 %Аl, 4,0...5,0 %V, 4,0...5,5 %Mo) після термічної обробки досягає 1250...1450 МПа.

Деталі з титанових сплавів азотують при 850...950°С з метою підвищення зносостійкості, міцності до втоми.

Титанові сплави широко використовуються в авіації, реактивній техніці, хімічній промисловості. У високошвидкісних літаках кількість деталей з титанових сплавів досягає декількох тисяч. Застосовуються титанові сплави також і в криогенній техніці, тому що вони зберігають пластичність при температурах (-169)...(-269)°С; жароміцні сплави працюють до температур 550°С. В суднобудуванні сплави використовують при виготовленні обшивки корпусів підводних човнів і морських судин, гребних гвинтів.

11.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Описати структуру, маркування, основні властивості та застосування сплавів на основі міді, алюмінію та титану.

11.3 Контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості до лабораторної роботи

11.3.1. Маркування латуней, їх застосування.

11.3.2. Охарактеризувати пластичність та міцність латуней.

11.3.3. Бронзи, особливості їх структури та застосування.

11.3.4. Які деформівні алюмінієві сплави зміцнюються термообробкою?

11.3.4. Що відбувається під час старіння алюмінієвих сплавів?

11.3.5. Які сплави алюмінію мають високі ливарні властивості?

11.3.6. Сплави титану. Принципи легування.

11.3.7. Які переваги та недоліки мають сплави титану порівняно із сталями та алюмінієвими сплавами?

11.4 Матеріали та обладнання

Робота виконується з використанням зразків сплавів Л80, ЛЦ40С1, БрОФ10-1, Д1, АЛ2, ВТ-3 та деталей з алюмінієвого та титанового сплавів. Для вимірювання твердості використовується прилад ТК-2, для вивчення мікроструктури - мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7.

11.5 Вказівки з техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

11.6 Порядок виконання роботи

Визначити твердість (HRB) зразків сплаву Д1 до термічної обробки, після гартування від температури (500±5)°С у воді та старіння при 100, 200 та 300°С з витримкою 15, 30 та 45 хвилин. Дані занести в таблицю 11.1.

Вивчити мікроструктуру зразків кольорових сплавів.

Таблиця 11.1 - Вплив гартування та старіння на твердість сплаву Д1

Сплав	Почат. твердість, HRB	Температура гарт., °С	Час нагрів., охолодж. середовище	Твердість після гарт., HRB	Температура старіння, °С	Твердість, HRB, після старіння з витримкою, хв.
Д1			20, вода

11.7 Зміст звіту

Загальні відомості згідно завдання, рисунки 11.1–11.4, мікроструктури, табл. 11.1, висновки.

11.8 Рекомендована література

[1], с. 241-260; [2], с. 273-300; [4], с. 564-611; [5], с. 332-353, 359-370; [6], с. 232-242.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 12
Конструкційні неметалеві матеріали

Мета роботи – вивчити деякі групи неметалевих конструкційних матеріалів, порівняти їх експлуатаційні властивості із властивостями металевих конструкційних матеріалів, навчитись обирати неметалеві матеріали для конкретних виробів.

12.1 Загальні відомості

Використання в машинобудуванні різноманітних неметалевих матеріалів (пластмас, кераміки, композиційних матеріалів на основі пластмас, гуми, неорганічного скла тощо) на протязі багатьох десятиліть засвідчили низку переваг зазначених матеріалів у порівнянні зі сплавами на основі заліза та кольорових металів:

- малу густину (0,15...2,2) кг/дм³;

- високу хімічну стійкість;

- особливі фізичні властивості (парамагнетизм, високий питомий електричний опір; особливі оптичні властивості);

- високу технологічність;

- низькі або високі значення коефіцієнтів тертя, високу зносостійкість;

- малу вартість.

Поєднання унікальних властивостей неметалевих матеріалів робить їх за певних умов незамінними конструкційними матеріалами.

12.1.1 Термопластичні пластмаси

Пластична маса – це матеріал, що є композицією полімера чи олігомера із різними компонентами, які знаходяться при формуванні виробів у в’язкоплинному або високоеластичному стані, а при експлуатації – у склоподібному або кристалічному стані.

Полімер – речовина, котра характеризується багаторазовим повторенням однієї або більше основних макромолекулярних ланок, поєднаних між собою у кількості, достатній для прояви комплекса властивостей, що залишаються практично незмінними при додаванні або вилученні однієї або декількох ланок.

Олігомер – речовина, молекули котрої вміщують складові ланки, з’єднані одна із однією певним чином, комплекс властивостей котрої змінюється при додаванні або вилученні однієї або декількох складових ланок.

До складу пластмас входять полімери (зв’язка), наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори, забарвники, уповільнювачі старіння, антистатики, антифрикційні домішки, прискорювачі твердіння тощо.

У пластмасах, що розглядаються, використовують термопластичні полімери, котрі при багаторазовому нагріванні розм’якшуються, а при охолодженні твердіють без зміни властивостей внаслідок термоциклювання. Їх основа – полімери із лінійною або розгалуженою структурою. Для більшості термопластмас робоча температура не перевищує 90°С. При довготривалому статичному навантаженні спостерігається еластична деформація. Границя міцності при розтягу знаходиться в межах 10...100 МПа, модуль нормальної пружності (1,8...3,5)×10³МПа.

В табл. 12.1 наведено дані про механічні властивості та максимальні температури експлуатації основних термопластів.

Для виготовлення виробів найчастіше використовується лиття під тиском. Температура розтопу, температура пресформи, тиск та тривалість витримки під тиском визначають якість виробів. Завищена температура розтопу може привести до деструкції полімеру. Тому, наприклад, для полістиролу рекомендують наступні режими лиття: температура розтопу 170...250°С, тиск 6...10 МПа, температура пресформи 40...60°С.

Для зниження внутрішніх напружень, підвищення однорідності структури відлиті деталі термічно обробляють. Так, наприклад, поліетилен нагрівають у воді до 70...80°С, витримують 1,5...2 хв на 1мм товщини і охолоджують на повітрі.

Таблиця 12.1 – Механічні властивості та максимальні температури експлуатації термопластів

Термопласт	Границя міцності, МПа,	Відносне видовження, %	Ударна в’язкість, кДж/м2	Максим. температура експлуат., °С (без навантаж.)	Густина, кг/дм3
Поліетилен ПЕВТ	10...18	300...600	Не руйнується		0,92...0,93
Поліетилен ПЕНТ	18...32	250...1000	“¾”¾”		0,95
Поліпропілен	26...38	700...800	30...70		0,90
Полістирол	40...50	3...4	10...20		1,05...1,08
Капрон	75...85	50...130	3...10
Фторопласт-4	20...40	250...300			1,90...2,20
Органічне скло		5...6	2...10		1,18
Полівінілхлорид (жорсткий)	50...65	20...50	2...4		1,10
Полівінілхлорид (пластифікований)	10...40	50...350	Не руйнується		1,05

Призначення термопластів:

- поліетилен – для виготовлення контейнерів, ємностей, деталей хімічного обладнання, плівок тощо;

- поліпропілен – труби, деталі насосів, конструкційні деталі автомобілів;

- полістирол – ручки, корпуси та інші деталі приладів, ємності дя хімічних речовин;

- капрон – шківи, болти, втулки, шестерні, гайки, вальниці;

- фторопласт-4 – труби, вальниці, втулки, елементи ущільнень, шестерні;

- органічне скло – кришки, резервуари, деталі арматури, трубки;

- полівінілхлорид – труби, оболонки для електричних кабелів та дротів, деталі вентиляційних установок, покриття хімічного обладнання.

12.1.2 Термореактивні пластмаси (реактопласти)

Полімери, котрі при нагріванні набувають просторову структуру, незворотньо втрачають здатність розм’якшуватися при повторному нагріванні та розчинятися, називають термореактивними. Ці полімери використовують у термостабільному стані після отвердіння, що створює сітчасту структуру із високою щільністю поперечних зв’язків.

Переваги реактопластів порівняно із термопластами: підвищена надійність; стабільність механічних властивостей та відносно мала їх залежність від температури, швидкості деформування та тривалості дії навантаження; більш високий рівень допустимих напружень (15…40 МПа); висока питома жорсткість (Е/r) та питома міцність (s_В/r). За останніми показниками деякі реактопласти мають перевагу над сталями, сплавами на основі міді та алюмінію. В той же час при розтягуванні реактопласти руйнуються без пластичної деформації і утворення шийки, характеризуються низькою ударною в’язкістю.

До найважливіших термореактивних полімерів відносяться фенолформальдегідні, епоксидні, поліефірні та кремнійорганічні смоли.

В залежності від наповнювача термореактивні пластмаси поділяють на порошкові, волокнисті та шаруваті. Їх властивості наведено в табл. 12.2.

Пластмаси із порошковими наповнювачами використовують для виготовлення електроарматури, кнопок, ручок, контейнерів, кронштейнів, інструментального пристосування, ливарних моделей, витяжних та формовочних пристосувань. Волокнити використовують для виготовлення виробів, що працюють на згин та кручення: маховики, зубчасті колеса, шківи, фланці, втулки тощо.

Листові наповнювачі у шаруватих пластмасах надають матеріалам анізотропність, їх використовують спочатку для виготовлення листів, плит, труб, стрижнів, а потім із напівфабрикатів виготовляють деталі вальниць ковзання, зубчасті колеса, шківи, втулки, деталі автомобілів, корпусні деталі, гальмівні колодки, фрикційні диски, лопатки насосів тощо.

Таблиця 12.2 – Фізико-механічні властивості термореактивних пластмас

Пластмаса	Густина, кг/дм3	Максим. температура довготривалої експлуат., °С	Границя міцності, МПа	Відносне видовження, %	Ударна в’язкість, кДж/м2	Модуль нормальної пружності, МПа	Твердість, МПа
Порошкова	1,40...1,45	100...110		0,3...0,7	4...6	6300... 8030	300... 400
Волокниста: - волокнит	1,35...1,45		30...60	1...3	9...10,4		250... 270
- асбоволокнит	1,95			1...3
- скловолокнит	1,70...1,90		80...500	1...3	25...150	-	-
Шарувата:	1,30...1,40		80...100	1...3	12...25
- гетинакс
- текстоліт	1,40		65...100	1...3		5000... 10000	-
- деревно-шарувата плита	1,35	140...200	180…300	-	80...90	18000...30000	-

12.1.3 Конструкційна кераміка

Кераміка, що призначена для виготовлення механічно навантажених деталей, називається конструкційною. Її переваги проявляються при підвищених температурах, спрацюванні та у хімічно активних робочих середовищах. До конструкційної кераміки відносять оксидну та безкисневу кераміку.

Оксидну кераміку на основі чистих оксидів алюмінію, цирконію, берилію, магнію, кальцію, церію, кремнію одержують у процесі високотемпературного випалювання (1200…2500°С). Властивості такої кераміки наведено в табл. 12.3.

Таблиця 12.3 – Властивості оксидної кераміки

Оксид	Густина, кг/дм3	Температура плавлення, °С	Границя міцності (при стисканні)	Модуль нормальної пружності
t, °С	, МПа	t, °С	Е, ГПа
Al2O3	3,99
ZrO2	5,6
BeO	3,0
MgO	3,58

Безкиснева кераміка (карбіди, бориди, нітриди та силіциди металів) відрізняється від оксидної більшою вогнетривкістю, твердістю та зносостійкістю, але опір окисленню при температурах вище 1000 °С недостатній. Тому її властивості найбільшою мірою реалізуються у вакуумі, нейтральній або відновлювальній атмосфері. Виняток складають SiC, SiN₄, на поверхні яких утворюється оксид SiO₂, котрий захищає вироб від подальшого оксидного руйнування. При експлуатації у вакуумі спостерігається сублімація, яка зростає в наступній послідовності: карбіди®бориди®силіциди®нітриди. Порівняно із металами та сплавами безкиснева кераміка меншою мірою знеміцнюється при високих температурах. Безкиснева кераміка із кремнієм характеризується високою окалиностійкістю до 1700°С. Властивості основних безкисневих керамічних матеріалів наведено в табл. 12.4.

Конструкційна кераміка використовується для виготовлення деталей газотурбінних двигунів та двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ), що дозволяє на 30...40% збільшити ККД внаслідок підвищення робочих температур, виключення системи охолодження, зниження втрат на тертя та зношення. Так, наприклад, в газотурбінних двигунах камери згорання, робочі лопатки, сопловий апарат виготовляють із SiC, статорні лопатки, теплообмінники виготовляють із Si₃N₄. Для виготовлення деталей ДВЗ використовують: Si₃N₄ (гільзи циліндрів, сідла клапанів, ротори турбонаддуву); ZrO₂ (поршні); Al₂O₃, ZrO₂ (кулачки, насадки та штовхачі). Обшивання топок енергетичних установок здійснюють карбідом кремнію SiC, у верстатах вальниці ковзання та кочення виготовляють із Si₃N₄ та ZrO₂.

Таблиця 12.4 – Властивості безкисневих керамічних матеріалів

Кераміка	Густина, кг/дм3	Температура плавлення, °С	Границя міцності (при стисканні)	Модуль нормальної пружності
t, °С	, МПа	t, °С	Е, ГПа
SiC	3,2
BN	2,34			500...600		1,16
Si3N4	3,19		-	-
MoSi2	6,24

12.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Описати склад, властивості і призначення пластмас та конструкційних керамік.

12.3 Контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості до лабораторної роботи

12.3.1. Що таке пластмаса і які компоненти входять до складу пластмас?

12.3.2. Призначення компонентів пластмас.

12.3.3. Термопластичні пластмаси: полімери для цих пластмас і їх характеристики.

12.3.4. Термопластичні пластмаси, їх властивості та призначення.

12.3.5. Термореактивні полімери, основні види і властивості.

12.3.6. Властивості та призначення термореактивних пластмас.

12.3.7. Види, властивості та призначення оксидної кераміки.

12.3.8. Види, властивості та призначення безкисневої кераміки.

12.3.9. Особливості складу і властивостей неметалевих конструкційних матеріалів порівняно із металами та сплавами.

12.4 Матеріали, інструменти, прилади та обладнання

Для виконання лабораторної роботи надається набір зразків із різних неметалевих матеріалів, машина для випробування на розтяг, термічна піч, твердомір, термометр, мікрометр, штангенциркуль.

12.5 Вказівки із техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

12.6 Порядок проведення лабораторної роботи

12.6.1. Ознайомитись із зразками, виготовленими із термопластичних, термореактивних та керамічних конструкційних матеріалів.

12.6.2. Визначити початкові розрахункові розміри зразків і позначити l₀.

12.6.3. Провести випробування наданих зразків на розтяг при різних температурах.

12.6.4. Визначити границі міцності та відносне видовження і твердість.

12.6.5. Розрахувати значення питомої міцності з використанням також даних таблиць 12.1...12.4.

12.7 Зміст звіту

Коротка характеристика термопластів, реактопластів та конструкційної кераміки, опис властивостей, складу, призначення. Графіки залежності границі міцності та відносного видовження від температури випробування пластмас. Гістограми питомої міцності пластмас, кераміки, вуглецевих та легованих сталей. Висновки за отриманими даними.

12.8 Рекомендована література

[2], с. 335-347; [5], с. 434-474, 514-520; [6], с. 223-231.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бялік О.М. Металознавство: підручник / О.М. Бялік, В.С. Черненко, В.М. Писаренко, Ю.Н. Москаленко. – К: ІВЦ «Потітехніка», 2001. – 375 с.

2. Матеріалознавство: [підручник] / С.С. Дяченко, І.В. Дощечкіна, А.О. Мовлян, Е.І. Плешаков. – Харків:Видавництво ХНАДУ, 2007. – 440 с.

3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. / Лахтин Ю.М.– М.: Металлургия, 1984. – 359 с.

4. Гуляев А.П. Металловедение / Гуляев А.П. – М.: Металлургия, 1986. – 360 с.

5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение / Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.

6. Материаловедение /Под ред. В.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

7. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: методы анализа, лабораторные роботы и задачи / Ю. Геллер, А. Рахштад. – М.: Металлургия, 1983. – 382 с.

8. Натапов Б.С. Термическая обработка металлов: [учеб. пособие для вузов] / Натапов Б.С. – Киев: Вища школа, 1980. – 288 с.

ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК

А

Азотування 94

Альфа – стабілізатор 105

Аналіз

дилатометричний 9

електронномікроскопічний 10

макроскопічний 17

мікроскопічний 22

рентгеноспектральний 14

рентгеноструктурний 12

термічний 6

Анізотропія 34

Аустенітизація 67

Аустеніт 44

залишковий 69

переохолоджений 68

Аустенітостабілізатор 105

Б

Бронза 131

Будова

дендритна 20

сталевого зливка 21

В

Віднова 35

Відпалення

графітизувальне (графітизаційне) 62

рекристалізаційне 38

Відпочинок 35

Відпускання

високотемпературне 87

низькотемпературне 85

середньотемпературне 86

Вуглець 44

Г

Гартування 66

неповне 75

поверхневе 97

повне 74

Гратка

аустеніту 44

мартенситу 71

фериту 44

цементиту 45

Графіт 45

кулястий (глобулярний) 51

пластівчатий 62

пластинчатий 59

Графітизатор 60

Густина дислокацій 33

Д

Дендрит 20

Деформація

гаряча 39

двійникування 31

ковзанням 33

пластична 30

пружна 30

тепла 30

холодна 39

Діаметр критичний 77

Діаграма

ізотермічного перетворення аустеніту 68

метастабільна залізо – цементит 45

стабільна залізо – графіт 59

структурна системи Fe – Cr – C 120

термокінетична 72

Шефлера 121

Дислокація 32

Дюралюмін (дуралюмін) 134

Ж

Жароміцність 123

Жаростійкість (окалиностійкість) 122

З

Загартовуваність 77

Залізо 45, 51

Зерно

дрібнозернисте 21

рекристалізоване 36

рівновісне (поліедричне) 21

стовпчасте 20

Злам

волокнистий (в’язкий) 18

втомний 18

кристалічний (крихкий) 18

Зона

Гіньє – Престона 134

рівновісних зерен 21

стовпчастих зерен 21

К

Капрон 144

Карбідоутворювач 85, 103

Карбюризатори 92

Кераміка 146

Корозія 119

Крива охолодження 8, 49

Кристалізація

вторинна 47

первинна 47

Л

Латунь 128

Легувальні елементи 110

Легування 102

Ледебурит 45

Лінія

евтектичного перетворення 47

евтектоїдного перетворення 48

обмеженої розчинності 48

М

Макрошліф 19

Маркування сталей 106

Мартенсит

відпущений 83

гартування 71

Металізація дифузійна 91

Мідь 128

Мікроскоп металографічний 26

Мікрошліф 22

Модифікатори 61, 137

Модифікування 61

Н

Наклеп 34

Напрямок кристалографічний 32

О

Обробка

хіміко – термічна 90

термічна 66

Олігомер 143

Органічне скло 144

П

Перетворення

бейнітне 73

евтектичне 47

евтектоїдне 48

мартенситне 69

перлитне 68

поліморфне 48

при відпусканні 82

Перлит 45, 69, 84

Пластмаси

термопластичні 142

термореактивні 145

Площини ковзання 32

Полігонізація 35

Полімер 143

Поліморфізм 43, 48

Поліпшення термічне 87

Поріг рекристалізації 38

Правило важеля і концентрацій 50

Прогартовуваність 77

Р

Рекристалізація

збиральна 37

первинна 36

С

Силумін 136

Системи ковзання 32

Сорбіт 73, 84

Сплави

алюмінієві 134

залізовуглецеві 43

мідні 128

титанові 137

Сталь

автоматна 54

аустенітна 108

вальницева 111

високоякісна 54

доевтектоїдна 51

евтектоїдна 51

жароміцна 123

жаростійка 122

заевтектоїдна 51

зносостійка 111, 125

інструментальна 54, 112

кипляча 53

конструкційна звичайної якості 52, 110

напівспокійна 53

неіржавіюча 119

поліпшувальна 111

ресорно-пружинна 111

феритна 108

цементовна 110

швидкорізальна 113

штампова 114

якісна 53

Старіння

зонне 135

природне 134

штучне 134

Структура

волокниста 22

дендритна 20

дрібнозерниста 21

комірчаста 34

Ступінь деформації критичний 38

Т

Текструра деформації 34

Температура рекристалізації 37

Троостит 69

Ф

Ферит 44

Феритостабілізатор 105

Фторопласт 144

Ц

Цементація 92

Цементит 45

вторинний 48

первинний 48

третинний 50

Ч

Чавун

білий 58

відбілений 59

високоміцний 61

ковкий 62

модифікований 61

сірий 59

Червоностійкість 113

Ш

Швидкість охолодження критична 72

Додаток А
Правила техніки безпеки при виконанні лабораторних робіт із дисципліни “Матеріалознавство” в лабораторіях кафедри фізичного матеріалознавства

1.Практична частина лабораторних робіт виконується студентами лише в присутності викладача або лаборанта.

2.Перед проведенням конкретних робіт за вказівкою викладача студенти повинні звернути увагу на небезпечні та шкідливі фактори.

3.При шліфуванні та поліруванні зразків необхідно користуватися окулярами для запобігання травмування очей.

4.Якщо при поліруванні зразок вирвано із рук, негайно відключити верстат від електричної мережі.

5.При щавленні зразків у водних або спиртових розчинах лугів, солей, кислот остерігатись їх попадання на відкриту шкіру та очі. Якщо це трапилось, необхідно промити забруднені місця водою.

6.Після закінчення роботи та металографічному мікроскопі МІМ-7 вимкнути мікроскоп із електромережі, закрити чохлами та вимкнути головний рубильник.

7.При виконанні термічної обробки зразків необхідно:

- забезпечити наявність гумового килимка на підлозі;

- використовувати рукавиці при завантаженні та вивантаженні зразків;

- завантажувати та вивантажувати зразки за допомогою кліщів і лише при відключеній від електричної мережі печі;