Типографские сплавы

Для отливки шрифтов ручного и машинного набора применяют сплавы на основе свинца, так как они имеют низкую температуру плавления, достаточной высокую твердость. Применяют сплавы на основе цинка, но у них выше температура плавления и больше угар при переплавках. В полиграфической промышленности получил применение цинк с небольшими добавками магния (0,05%) и алюминия (0,1%) и имеющий мелкозернистую структуру и повышенную по сравнению с другими сплавами твердость (55-70НВ). Этот сплав называется микроцинком.

Классификация неметаллических материалов

Полимерные материалы

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Химический состав полимеров служит основой для классификации пластмасс.

Полимеры – это сложные высокомолекулярные соединения, которые состоят из большого числа небольших молекул, которые называются мономерами. Так например, бутадиен – мономер. Бутадиен + … + бутадиен (4000 раз) → полибутадиен (искусственный каучук) [–CH₂–CH=CH–(–n)CH²–], n – степень полимеризации.

Полимеры получают либо полимеризацией, либо поликонденсацией. Процесс, при котором полимер получается вследствие соединения мономеров друг с другом, наз. полимеризацией. Поликонденсация - это процесс образования полимера в результате химической реакции исходных веществ с получением нового вещества, структура которого отличается от исходной.

В целом, полимеры можно разделить на три основные группы:

1. Эластомеры (резины) – это полимеры, у которых молекулярная структура допускает значительные и обратимые растяжения, т.е. они являются легкосшиваемыми полимерами. Цепные макромолекулы под действием нагрузки распрямляются, а при снятии нагрузки сворачиваются, то есть между поперечными связями молекулярных цепочек есть небольшая свобода движения. Если эти поперечные связи вытянуты, то полимерные цепочки стремятся выровняться и стать центрированными, из-за чего происходит уменьшение кристалличности полимера. Наиболее распространённым эластомером является каучук C₅H₈. На основе каучука получают резины. Молекулы чистого каучука слабо связаны друг с другом, поэтому легко отделяются одна от другой. В результате этого каучук прилипает к предметам, с которыми он взаимодействует. Для устранения этого дефекта применяют вулканизацию.

Эластомеры можно сгруппировать в соответствии с формой их полимерных цепочек:

- в основе полимерной цепочки находится только углерод. В эту группу входят натуральный каучук, бутадиен-стирол, бутадиен-акрилонитрил, бутил-каучуки, полихлоропрен и этиленпропилен.

- полимерные цепочки с кислородом в основе. Например, окись полипропилена.

- полимерные цепочки с кремнием в основе. Например, фторкремний.

- полимерные цепочки, имеющие в основе серу. Например, полисульфид.

- термопластичные эластомеры. Это блок сополимеров с альтернативной твердостью и гибкими блоками. Например, полиуретаны, этиленвинилацетат и стирол-дивинил-стирол. Такие эластомеры могут быть изготовлены термопластическими методами прессования, а также литья под давлением и выдувным формованием. Они подобно термопластикам, могут быть неоднократно размягчены при нагреве и не похожи на обычные эластомеры.

2. Термореактивные пластмассы (реактопласты) – жесткие материалы, которые не становятся мягкими при нагревании. У таких полимеров молекулярные структуры имеют расширенные поперечные связи. Из-за чего, при разрушении связей во время нагрева, изменения необратимо при охлаждении.

Термореактивные пластмассы получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Их применяют в отвержденном виде; они при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами.

3. Термопластичные пластмассы (термопласты) – материалы, которые могут быть размягченными под воздействием не слишком высокой температуре, как в случае расщепления. Такие полимеры имеют линейные или разветвленные молекулярные цепи структур с малым числом связей, и если их несколько, то между цепями. Линейные и некоторые разветвленные полимерные цепи могут быть в таком состоянии, когда имеет место уменьшение кристалличности структуры. Термопластики состоят из двух групп материалов – неполярных и полярных полимеров (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Структура макромолекул полимеров

Семейство неполярных термопластов основано на этилене, который, в свою очередь, может быть подразделен на следующие группы: полиолефины, основанные на полиэтилене и полипропилене, винилы с основой на винилхлориде, винилацетат и различные другие соединения винилов. Все неполярные полимеры строятся на базе только атомов углерода.

К семейству полярных термопластов относятся фторопласт-3, оргстекло, полиамиды, полиуретаны, полиацетаты, поликарбонаты, полиарилаты, целлюлозы и др. Введение атомов хлора нарушает в фторопласте-3 симметрию звеньев молекул, материал становится полярным. К такому же эффекту приводит амидная группа в полиамидах и т.д.

Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна.

В состав полимеров входят различные добавки: наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и др.

Наполнители добавляют в количестве 40-70% для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров. К наполнителям относят древесную муку, порошки сажи, слюду, SiO₂, тальк, TiO₂, графит; хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные волокна; листы бумаги, ткани из различных волокон, древесный шпон.

Стабилизаторы (органические вещества) водят в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств.

Пластификаторы добавляют в количестве 10-12% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости.

Специальные добавки – это смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения. Они служат для изменения или усиления какого-либо свойства. Отвердители добавляют для отверждения.

У полимеров нет определённой температуры плавления. Полимеры обладают очень высокой вязкостью, высокой молекулярной массой. В таблице 2 Приложения П приведены примеры изделий, которые возможно получить из полимерных материалов.

Композиционные материалы

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, в состав которых входят конструктивные элементы, разделенные выраженной границей, свойства которых резко отличаются от свойств матрицы.

Композиционные материалы представляют собой гетерогенную систему, состоящую из матрицы, в качестве которой используют полимеры, керамику или металл, заполненных высокопрочными и высокомодульными волокнами или частицами.

КМ можно разделить на три основные группы:

1. Волокнистые композиционные материалы. Примерами могут служить шины транспортных средств (резина, армированная кордными тканями), армированный бетон, армированные стеклянными волокнами пластики, углеродные волокна в эпоксидных смолах или алюминии, древесина (естественный композит с трубками целлюлозы в матрице лигнина).

Свойства волокнистых КМ зависят от свойств и размеров волокон, их объемной доли и расположения, взаимодействий на границе между волокнами и матрицей. У армированных волокном КМ основные функции волокон состоят в том, чтобы перенести большую часть прикладываемой нагрузки на КМ и таким образом обеспечить прочность. По этой причине волокнистые КМ имеют высокие предел прочности и модуль упругости при растяжении. Предъявляемые к матричному материалу (матрице) требования заключаются в высоком сцеплении его с поверхностью волокон, благодаря чему прикладываемая к КМ сила передается на волокна. Они первыми воспринимают напряжение КМ, который, в свою очередь, предохраняет поверхность волокон от повреждения и разделяет их друг от друга, препятствуя тем самым распространению разрушения. Волокна могут быть сплошными, отрезками в полную длину композита или короткой длины. Они могут быть вытянуты в одном направлении, задавая направленность свойствам КМ, или ориентированы случайным образом.

Для сплошных волокон: прочность КМ определяется по формуле , а модуль КМ - , где - напряжение на волокне, - напряжение на матрице, - доля матрицы, - модуль прочности на растяжение волокна, - модуль прочности на растяжение матрицы.

Для прерывистых волокон прочность композита определяется той же формулой, где заменено на усредненное напряжение . Здесь: - максимальная прочность волокон, т.е. предел прочности волокон; - длина волокон; - критическая длина волокон. Критическая длина волокон определяется как: . Здесь: - диаметр волокон; - прочность матрицы на срез. Необходимая длина волокон равна или больше критической длины волокон, в котором напряжение достигает максимального значения, возможного в волокне.

2. Армированные частицами материалы. Примерами могут служить полимерные материалы, связанные такими наполнителями, как стеклянные шарики или утонченные градуированные порошки, придающие полимерам жесткость, в которые включены тонкие резиновые частицы, а также керметы с керамическими частицами в металлической матрице.

Керметы – это композиты, у которых в матрицу металла включены керамические частицы.

Частицы, которыми армируют материалы, рассеяны по всей матрицы и имеют диаметр 1мкм или более. Их часто вводят до четверти, половины или даже более по отношению к общему объему КМ.

Полимерные материалы содержат наполнители. Эффект от частиц наполнителя в материале матрицы состоит, в основном, в увеличении модуля упругости при растяжении, предела прочности при растяжении, стойкости к удару и уменьшении ползучести и теплового расширения. Общая стоимость материала ниже, поскольку стоимость полимера больше, чем стоимость наполнителя.

Добавка сферических углеродных частиц в резину применяется для улучшения модуля растяжения. Модуль растяжения композитной резины по отношению к модулю резины без наполнителя будет выражать как , где - доля объема КМ, занятая углеродом.

Жесткость некоторых полимеров может быть увеличена при введении в полимерную матрицу тонких резиновых частиц. Например, полистирол становится жестче при добавке в него полибутадиена: получается продукт, называемый полистиролом (HIPS), устойчивый к ударам.

3. Дисперсно-упрочненные КМ. Примерами могут служить алюминиевые сплавы, обработанные на твердый раствор и преципитатно-упрочненные, мартенситостареющие стали, а также спеченные металлы. Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100%), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/ρ) и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочностью.

Эффект упрочнения КМ, в структуре которых присутствуют высокодисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов или карбидов, не взаимодействующих химически с материалом матрицы, пропорционален объемной доле частиц, дисперсности. То есть, прочность металла можно увеличить с помощью маленьких частиц, рассеянных по его объему. Один из путей сделать это состоит в обработке на твердый раствор, что следует из преципитатного упрочнения. Такая обработка применяется, например, с мартенсито-стареющими сталями и сплавами алюминия.

Другой путь, рассеивающий маленькие частицы по всему объему металла, состоит в спекании материала. Этот процесс включает в себя уплотнение измельченного металлического порошка в пресс-форму и затем нагрев его до температуры выше той, которая достаточна для скрепления частиц в порошке. Если это сделать с алюминием, то в результате получится тонкодисперсная окись алюминия, около 10%, повсюду в матрице алюминия. В результате ввиду малого расстояния между частицами увеличиваются прочность, твердость, жаропрочность КМ, но уменьшается его пластичность.

Применение композиционных материалов с металлической матрицей повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

В дополнении к названным группам КМ имеется целая группа слоистых материалов. В качестве примеров можно назвать фанеру, плакированные металлы, пористые металлические структуры, рифленый картон.

Таким образом, КМ отличаются самой высокой, по сравнению с другими материалами, удельной прочностью, что позволяет резко снизить массу и соответственно материалоемкость конструкций. Это качество важно для различных летательных аппаратов, автостроения и других транспортных средств, в гражданском строительстве.

Керамические материалы.

К керамическим материалам относят широкий круг материалов, например, кирпич, камень, стекло и огнеупорные материалы.

Это твердые и хрупкие материалы, которые являются хорошими электрическими и тепловыми изоляторами и обладают высоким сопротивлением химическому воздействию. У них низкое сопротивление термическому удару, поскольку они имеют низкие теплопроводность и термическое расширение.

Керамика формуется из комбинации одного и более металлов с неметаллическим элементом, таким как кислород, азот или углерод.

Обычно, керамика характеризуется кристаллической структурой, хотя возможны аморфные состояния. Например, если кварц в расплавленном состоянии охладить очень медленно, то он кристаллизуется в точке застывания. Однако, если охлаждать много быстрее, то его атомы не успевают расположиться в упорядоченном состоянии, подобно кристаллу, поэтому характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения, т.н. кварцевое стекло.

Стекла. Главной составной частью большинства стекол является песок, т.е. керамический силикат. Обыкновенное оконное стекло сделано из смеси песка, известняка (углекислый кальций) и кальцинированной соды (углекислый натрий). При сплавлении различных комбинаций оксидов, которые подразделяются на стеклообразующие и модифицирующие, получают стекла. Химический состав стекол изменяют в относительно широком интервале, что позволяет обеспечивать необходимое сочетание свойств стекол. В состав стекол входят:

1. Стеклообразователи – основа: а) SiO₂ – силикатное стекло, если SiO₂ > 99%, то это кварцевое стекло; б) Al₂O₃ + SiO₂ – алюмосиликатное стекло; в) B₂O₃ + SiO₂ – боросиликатное стекло; г) Al₂O₃ + B₂O₃ + SiO₂ – алюмоборосиликатное стекло;

2. Модификаторы, вводятся для придания стеклу определённых свойств. Ввод оксидов щелочноземельных металлов (I, II группа: Na, K) уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определённые цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. По количеству модификаторов стёкла бывают трёх типов: щёлочные – стёкла, в которых содержится модификаторов до 20-30%, бесщёлочные – до 5% модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов нет;

3. Компенсаторы, подавляют негативное воздействие модификаторов. Стёкла в автомобилях, в стеклопластиках, оптика, теплопроводимость низкая, не растворимы в кислотах (кроме плавиковой HF) и щёлочах.

Теплостойкие стекла, такие как пирекс, получены при замещении кальцинированной соды окисью бора. Предел прочности при растяжении определяют эффективно по микроскопическим дефектам и трещинам на поверхности. Стекла имеют низкую пластичность, обладают хрупкостью, имеют низкое тепловое расширение и низкую теплопроводность, и вследствие этого и плохое сопротивление термическому удару. Закалка повышает прочность и термостойкость стекла. Стекла хорошие электрические изоляторы и стойки ко многим кислотам, растворителям и другим химикатам.

Техническая керамика. В качестве конструкционного материала, а также для изготовления или футеровки емкостей химических веществ широко применяют техническую керамику – глинозем (окись алюминия), нитрид кремния, карбиды бора, кремния, тантала, вольфрама и циркония. Из-за повышенной твердости, хорошей износо- и теплостойкости их успешно применяют для изготовления металлорежущих резцов, фильер. Они соединены с такими связующими металлами как никель, кобальт, хром, или молибден, в форме композитного материала. Большинство обычных форм – это вольфрамовый карбид, связанный с кобальтом, а большинство комплексных форм включает целый ряд карбидов с кобальтом.

Традиционный и широко распространенный керамический материал – фарфор. Стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекла, называются ситаллами. Их классифицируют по применению и содержанию основной кристаллической фазы.

В машиностроении и металлообработке наиболее перспективен класс износоустойчивых и химически устойчивых ситаллов, которые содержат в качестве основной кристаллической фазы кордиерит и прироксен.

Огнеупоры. Это специальные материалы, применяемые в конструкциях, способных выдерживать высокие температуры. Основные широко используемые огнеупорные материалы состоят из кремнезема и глинозема. Способность огнеупоров выдерживать высокие температуры возрастает с увеличением окиси алюминия выше точки эвтектики.

Изделия с содержанием глинозема 30…40% употребляются в качестве огнеупорного шамотного кирпича. Для более жестких условий применения увеличивается количество глинозема: керамика с глиноземом более 71,8% может работать до 1800⁰С. С содержанием глинозема 90% производится прочная, тонко гранулированная керамика для заданных механических условий. С содержанием же 96% выпускается керамика, которая обладает отличными свойствами для специального назначения в электронике, а с содержанием 99,9% - твердая, прочная керамика для жестких механических условий и агрессивной среды.

В таблицах 3 и 4 Приложения Р приведены типичные инструментальные применения для связанных карбидов, а также даны основные характеристики и область применения обычно используемых стекол.

Резиновые материалы

Резина является искусственным материалом, получаемым специальной обработкой (вулканизацией) смеси каучуков с различными добавками (сера). При максимально возможном насыщении каучука серой образуется твердый и жесткий материал, называемый эбонитом. Эбонит обладает высокой химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, легко обрабатывается, но имеет низкую теплостойкость.

Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые сохраняются в широком диапазоне температур.

Резиновые материалы классифицируют по виду сырья (натуральный каучук, синтетический каучук, бутадиентстирольный каучук, синтетический каучук изопреновый и т.д.), наполнителя (порошкообразные и тканевые), степени упорядочения макромолекул и пористости (мягкие, жесткие эбонитовые, пористые, пастообразные), по технологическим способам переработки (выдавливания, прессования, литья), по типам теплового старения (семь типов Т07, …, Т25), по изменению объема после пребывания в нефтяной жидкости (семь классов К1, …, К7), по назначению резины (общего и специального назначения).

Резиновые изделия, применяемые в машиностроении, делят на: уплотнительные, вибро- и звукоизоляционные, противоударные, силовые, опоры скольжения, гибкие компенсационные прокладки, противовоздушные, фрикционные и защитные. Основные потребители резины – шинная промышленность (свыше 50%) и промышленность резинотехнических изделий (более 22%).

Древесные материалы

Древесина – древнейший естественный строительный материал, находящий широкое применение и в наше время. Древесина представляет собой ткань дерева, служащую для проведения воды и растворов минеральных солей от корней к листьям. Микроструктура древесины волокнистая, пористая, состоит из вытянутых клеток-ячеек, стенки которых состоят из целлюлозы. Эти пустотелые клетки-ячейки образуют волокна.

Различают более твердую древесину лиственных пород (дуб, клен, орех) и менее твердую – хвойных пород (сосна, ель, кипарис, секвойя). Первая используется в основном для столярных работ и отделки интерьеров, а вторая – в виде строительных лесоматериалов.

Древесина является волокнистым материалом, поэтому для повышения прочности изделий комбинируют продольные слои с поперечными. Как для внутренних, так и для наружных конструкций широко применяются клееные слоистые древесные материалы. Элементы конструкции изготавливаются склеиванием листов шпона. Толщина слоев может составлять от нескольких сантиметров до 3 мм (в микроламинированных конструкциях). Листовой материал, получаемый склейкой листов древесного шпона называют фанерой. В таблице 29 приведены примерные механические свойства обычной древесины.

Клееные слоистые древесные материалы хорошо известны в современной архитектуре и применяются для изготовления элементов разной формы: прямых, искривленных, с плавными переходами. Для таких элементов подбирают древесину, наиболее подходящую по внешнему виду и механическим свойствам. Их несущая способность и размерная стабильность выше, чем у пиломатериалов. Прессованием нагретых в пресс-формах древесных заготовок получают прессованную древесину.

Таблица 29

Механические свойства древесины

Древесина	Плотность, 103кг∙м-3	Модуль упругости		Предел прочности при растяжении, МПа	Прочность при сжатии
		║	┴		║	┴
Ясень	0,58	16	0,9	100	51	11
Бук	0,70	14	1,1	100	-	-
Кедр (красный)	0,47	6	-	60	42	8
Вяз	0,50	9	-	80	38	6
Красное дерево	0,50	12	0,6	100	-	-
Дуб	0,65	11	-	100	49	9
Сосна	0,36	9	-	60	34	4
Ель	0,40	11	0,6	70	40	5
Тиковое дерево	0,60	13	-	100	-	-

Здесь: ║- параллельно направлению волокон; ┴ - перпендикулярно направлению волокон

Важной характеристикой древесины является ее плотность. Обрабатываемость древесины зависит от ее твердости. На прочности лесоматериалов очень существенно сказывается их слоистость. Прочность на сжатие и растяжение максимальна вдоль слоистости, а прочность на сдвиг – поперек слоев. Так, для дуба предел прочности на раздавливание параллельно слоистости равен 52 МПа, предел пропорциональности при сжатии перпендикулярно слоистости – 9 МПа, а предел прочности на сдвиг параллельно слоистости – 14 МПа. Чтобы получить допускаемое напряжение, эти значения нужно еще умножить на уменьшающий коэффициент, учитывающий содержание влаги, размер, дефектность, длительность нагружения, принятый запас прочности и наклон слоистости. В случае деревянных балок важное значение может иметь прочность на продольный сдвиг, так как сопротивление сдвигу вдоль слоистости невелико. Прочность на растяжение примерно втрое выше, чем на сжатие. Однако местные растягивающие напряжения в деревянной конструкции зависят в основном от способов связи сопрягаемых элементов. Зубцы металлических соединительных деталей (плоских, кольцевых, дисковых), входящие в оба соединяемых элемента, действуют на передачу нагрузки. Благодаря разработке таких зубчатых соединителей в виде бандажей, накладок, шайб и шпонок стало возможно применение лесоматериалов для конструкций с большими пролетами. Дерево весьма упруго и хорошо сопротивляется удару.

Следует отметить, что доля неметаллических материалов, применяемых в технике, неуклонно растет. Знание основных классов неметаллических материалов, их преимуществ и конкретных областей применения позволяет расширить ассортимент и качество выбора.