23.Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность. Алюминий обладает электрической проводимостью. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999; высокой чистоты: А995, А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время одновременно сосуществует две маркировки сплавов: старая буквенно – цифровая и новая цифровая. Наряду с этим имеется буквенно цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие св-ва сплавов.

Классификация алюминиевых сплавов.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Дюралюминий. Дюралюминами называются сплавы, в которые дополнительно вводят марганец. Марганец повышает стойкость дюралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т, повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.

Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты.

Из сплава Д16 изготовляют лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.

Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дюралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллической. Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты, используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, Высокопрочные сплавы. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей. Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.

Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена.

Литейные алюминиевые сплавы

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300С.

24.Титан магний и их славы. Магниевые сплавы. Чистый магний имеет плотность 1,7 г/см³ и температуру плавле­ния 651 °С. Магний обладает малыми прочностью и пластичностью.

Магний относительно устойчив против коррозии лишь в сухой среде и при повышении температуры легко окисляется и даже са­мовоспламеняется. промышленность выпускает магний двух марок: Мг1 и Мг2. Применяют сплавы магния с алюминием, цин­ком, марганцем и реже с титаном. Алюминий и цинк повышают механические свойства, марганец повышает коррозионную стой­кость, титан способствует измельчению зерна.

Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируют буквами МА, литейные — МЛ. Деформация магниевых сплавов осуществляется при 250—400 °С. Упрочняющей термической обработке деформируемые магниевые сплавы не подвергают.

Механические свойства литейных сплавов в большой степени зависят от величины зерна.

Магниевые сплавы применяют в авиационной промышленнос­ти, в машиностроении и в радиотехнической промышленности.

Титановые сплавы. Титан — металл серебристо-белого цвета, имеет плотность 4,5 г/см³, температуру плавления 1668 °С.

Титан имеет две аллотропические модификации: α-титан и β-титан. Свойства титана сильно зависят от чистоты. Наличие азота и кислорода повышает прочность титана, но сильно снижает пластичность. Присутствие углерода снижает ковкость, ухудшает обрабатываемость резанием, свариваемость титана. Водо­род повышает чувствительность титана к хрупкому разрушению.

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфе­ре, пресной и морской воде, в ряде кислот. Титан хорошо куется и сваривается. Упрочнение титана достигается наклепом, легирова­нием, термической обработкой.

Различают три вида титановых сплавов.

Титановые α-сплавы малопластичны, менее склонны к погло­щению кислорода и не становятся хрупкими при термической об­работке. Это сплавы титана с алюминием.

Титановые β-сплавы наиболее пластичны, но менее прочны, при высоких температурах легко поглощают кисло­род и азот.

Титановые (α+β)-сплавы хорошо куются, штампуются, подда­ются термической обработке и обладают большей прочностью, чем однофазные.

Титановые сплавы можно применять в качестве литейных, так как они обладают хорошими литейными свойствами.

25. Термопластичные пластмассы.Основу термопластичных пластмасс составляют полимеры с линейной и разветвленной структурой. Помимо основы они иногда содержат гшастифи каторы. Термопласты способны работать при температурах не выше 60—70 °С, поскольку выше этих температур их физико-механические свойства резко снижаются. Некоторые теплостойкие пластмассы способны работать при 150—200 °С, а термостойкие полимеры с жесткими цепями и циклической структурой устойчивы до 400—600 °С. Предел прочности термопластов изменяется в пределах 10—100 МПа, » модуль упругости — (1,8—3,5)-10³ МПа. Длительное статическое нагружение термопластов вызывает появление вынужденно-эластической деформации и снижает их прочность. С увеличением скорости деформирования вы­нужденно-эластическая деформация отсутствует и появляются жесткость и

хрупкое разрушение. Наличие в структуре полимеров кристаллической составляющей делаем их более прочными и жесткими. Полиэтилен. Его получают полимеризацией бесцветного газа этилена при низком и высоком давлении. Полиэтилен низкого давления име­ет высокую плотность и кристалличность до 74—95%. С уве­личением плотности и кристалличности полиэтилена возрастают его прочность и теплостойкость. Полиэтилен способен длительное время работать при 60—100 °С. Химически стоек и нерастворим в растворителях при 20 °С. Полиэтилен применяют для изоляции защитных оболочек кабелей проводов, деталей высокочастотных установок и для изготовления коррозионностойких деталей — труб, прокладок, шлангов. Его выпускают в виде пленки, листов, труб, блоков. Полиэтилен подвержен старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят сажу 2—3%, замедляющую процесс старения в 30 раз. Полистирол . Это аморфный, твердый, жесткий, прозрачный полимер, имеющий преимущественно линейное строение. Полистиролу присущи высокие диэлектрические свойства, удовлетворительная механическая прочность, невысокая рабочая температура (до 100 °С), химическая стойкость в щелочах, минеральных и органических кислотах, маслах. он набухает в 65%-ной азотной, ледяной уксусной кислотах, бензине и керосине. при температуре выше 200 °С разлагается, образуя стирол. Полистирол применяют для производства слабонагруженных деталей и высокочастотных изоляторов. Недостатками свойств полистирола являются его хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин. Фтороплас. имеет аморфно-кристаллическую структуру. Скорость кристаллизации зависит от температуры в очень малой степени до 250 °С и не влияет на его механические свойства.

28.Древесные материалы. Древесина является важным строительным материалом, а также сырьем для бумажной промышленности. Сухая древесина на 50—60% состоит из линейного полимера — целлюлозы, примерно на 25% из родственных целлюлозе соедине­ний и примерно на 25% из жидкости под названием лигнин, обла­дающей высокой вязкостью. Структура древесины представляет со­бой большое количество длинных трубчатых клеток. Различие свойств различных сортов древесины определяется их разной плотностью. Наибольшей плотностью обладает железное дерево — 1,3 т/м³, т.е. оно тонет в воде. Минимальная плотность у дерева под названием бальза — 0,15 т/м³. Его используют при изготовлении дельтапла­нов, из него также делают бутафорские предметы при съемке в кино трюковых сцен (драка мебелью и т.п.). Древесина известных нам деревьев имеет промежуточные значения плотности: дуб — 0,69, береза — 0,62 т/м³. Древесина хорошо работает на растяжение, но предел прочнос­ти при сжатии у древесины ниже, чем у большинства материалов. Это объясняется тем, что при приложении сжимающей нагрузки трубчатые клетки изгибаются в продольном направлении (продоль­ный изгиб) каждая отдельно, по очереди, а не совокупно. Когда дерево спиливают, древесина содержит большое количество воды — до 100% от массы в сухом состоянии. Большая часть воды нахо­дится в полой сердцевине клетки. В спиленном дереве вода медлен­но испаряется, пока не достигнет равновесия с окружающей ат­мосферой. Равновесное содержание воды, зависящее от влажности воздуха, колеблется от 5 до 23% (сухой массы) в сухом и влажном воздухе соответственно. Понижение содержания воды сопровожда­ется усадкой. Изменение размеров идет в основном в направлении, перпендикулярном волокнам, в продольном направлении оно не­велико. При этом может происходить и изменение формы — короб­ление. Поэтому целесообразно применять сухую древесину. Одна­ко, поскольку влажность воздуха колеблется, размеры дерева (дре­весины) не являются постоянными. Кроме того, содержание воды влияет на прочность. Прочность сухой древесины примерно в три раза выше, чем свежеспиленной. Древесину широко используют в машиностроении (борта и пол кузовов грузовых автомобилей, тара, модельная оснастка отли­вок). К достоинствам этого материала следует отнести малую плот­ность, хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагруз­кам. Древесина хорошо обрабатывается резанием, склеивается. Однако, помимо уже указанного недостатка — влагопоглощаемости, следует отметить отсутствие огнестойкости (это горючий материал), а также склонность к загниванию. Для защиты от загнивания изделия из дерева необходимо по­крывать лакокрасочными или пластмассовыми покрытиями. При­меняется также пропитка растворами солей NaF, CuSO₄ и др. Для снижения воспламеняемости используют огнезащитные лаки и краски. Прессованная древесина получается прессованием нагретых дре­весных опилок. Прочность прессованных материалов в 2-3 раза выше, чем древесины. Фанера — листовой материал, полученный склеиванием листов древесного шпона. Толщина фанеры 1-12 мм, более толстые клее­ные конструкции называются плитами. Водостойкость фанеры за­висит от применяемого клея. Фанера ФСФ обладает повышенной водостойкостью, ФК и ФБА — средней, ФБ — пониженной.

29. Неорганическое стекло. Строение и состав неорганических стекол. Вещества, образующие стекло (стеклообразующие) — это оксиды кремния, бора и фосфо­ра, обладающие очень высокой вязкостью в жидком состоянии (вяз­кость стекол при температуре 1600 °С около 10 Па-с, для сравнения: при комнатной температуре вязкость воды составляет 0,001 Пас, машинного масла — 0,1—0,6 Па-с, глицерина — 0,9 Па-с). Производство (варка) стекла осуществляется в стекловаренных печах при температуре 1300—2100 °С, летучие вещества (Н₂О, СО₂, SO₃) при этом удаляются, а стеклообразующие при охлаждении застывают в стекломассу. Основным компонентом силикатных неорганических стекол является оксид крем­ния, прочие стеклообразующие также могут входить в их состав. Структура стекла представляет собой неправильную трехмерную сетку , образованную за счет соединения атомов кислоро­да, расположенных в вершинах тетраэдров. В состав неорганического стекла по­мимо основного стеклообразующего ок­сида могут входить и оксиды других эле­ментов. Оксиды щелочных (№lO, K₂O) и щелочноземельных (MgO, СаО) ме­таллов являются модификаторами — они изменяют строение сетки. Свойства стекла. Технологичность стекла в переработке определяется температурами размягчения и перехода в жидкое состоя­ние. Чем ниже эти температуры, тем стекло технологичнее. Стекло термопластично, при нагреве его вязкость уменьшается, оно по­степенно размягчается и становится жидкостью, особенно заметно снижение вязкости при нагреве выше температуры размягчения. Наиболее важными для стекол являются оптические свойства. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%, отра­жает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света, ультрафиолетовое излучение поглощается практически полностью. Наиболее широкую полосу электромагнит­ных волн пропускает кварцевое стекло — от жестких ультрафиоле­товых до инфракрасных.. Стекла, легиро­ванные редкоземельными элементами, задерживают ультрафиоле­товое излучение.

Электрические свойства стекла характеризуются высокими значе­ниями удельного электросопротивления. Большей проводимос­тью обладают щелочные стекла за счет диффузии ионов щелочных металлов сквозь незамкнутую сетку. Оксиды тяжелых металлов уменьшают подвижность ионов, что снижает потери электро­изоляционных свойств; стекла, содержащие эти оксиды, использу­ются в электротехнической промышленности. Теплопроводность стекла низкая, что определяет его хорошие теплоизолирующие свойства. Тепло­изолирующие свойства могут быть повышены за счет применения термопана — конструкции из двух стекол и воздушного промежут­ка между ними. Химическая стойкость стекол в кислых средах высокая. Механические свойства стекла. Прочность стекла, как и всех других материалов, зависит от ус­ловий нагружения. Стекло может вести себя как абсолютно упру­гое, вязкое или вязкоупругое вещество. При комнатных температу­рах и непродолжительных нагрузках, превышающих предел проч­ности, стекло бьется, т.е. разрушается хрупко, без пластической деформации. Это обусловлено тем, что стекло не может в этих ус­ловиях пластически деформироваться, поэтому появление трещи­ны ведет к мгновенному разрушению из-за ее очень быстрого рас­пространения. В связи с этим важное значение приобретает состоя­ние поверхности стекла — наличие царапин, микротрещин и других дефектов, которые являются концентраторами напряжений, резко снижают прочность. Стекла подвержены статической усталости. Она проявляется в потере прочности при длительных нагружениях в условиях посто­янной нагрузки. Статическая усталость связана с воздействием на повер­хность стекла атмосферы (пары воды), при испытаниях в вакууме этот эффект крайне мал. Существует ряд способов, позволяющих повысить механические свойства, в том числе сопротивление статической усталости, и тер­мостойкость стекла. Закалка стекла заключается в нагреве выше тем­пературы стеклования и последующем быстром охлаждении в пото­ке воздуха или в масле. При этом на поверхности стекла возникают напряжения сжатия, которые компенсируют растягива­ющие напряжения в условиях эксплуатации.