Пластмассы, сталь, сплавы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА «Физика металлов и металловедения»

КОНТРОЛЬНО — КУРСОВАЯ РАБОТА ВАРИАНТ № 12

Выполнил

студент группы 220 761

Кузьмичев Александр

Александрович

Проверил

Мясникова Л.В.

Термопластичные пласмассы…3

Сталь 12ХГТ…11

Железоуглеродистый 1% С сплав…12

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60−70 градусов Цельсия начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более термостойкие структуры могут работать до 150 -250 ⁰С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 -600 ⁰С.

При длительном статическом нагружении появляется вынужденно — эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформирования не успевает развиваться высокоэластичная деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет 10 — 100 МПа. Модуль упругости (1,8 — 3,5)10³ МПА. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2 — 0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

Термопласты делятся на неполярные и полярные.

НЕПОЛЯРНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт — 4.

Полиэтилен (-СН₂ — СН₂)_n — продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55 — 65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74 — 95%.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до 60 — 100 ⁰С. Морозостойкость достигает — 70 ⁰С и ниже. Полиэтилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей.

Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы (2−3% сажи замедляют процессы старения в 30 раз). Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет: приобретает большую прочность и теплостойкость.

Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, он служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока.

Полипропилен (-СН₂ — СНСН₃ -)_n является производной этилена. Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150 ⁰С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Недостатком пропилена является его невысокая морозостойкость (от -10 до -20 ⁰С). Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных ёмкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол ( -СН₂ — СНС₆Н₅ -)_n — твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами (присутствие в макромолекулах фенильного радикала).

Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость. Склонность к старению, образованию трещин.

Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

Фторопласт -4(фторлон) политетрафторэтилен (-CF₂— CF₂ -)_n является аморфно — кристаллическим полимером, до температуры 250 ⁰С скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт -4 можно до температуры 250 ⁰С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415⁰С. Аморфная фаза находится в высокоэластичном состоянии, что придает фторопласту — 4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до -269 ⁰С) пластик не охрупчивается. Фторопласт -4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме того, пластик не смачивается водой. Политетрафторэтилен малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Фторопласт -4 обладает очень низким коэффициентом трения, который не зависит от температуры.

Недостатками фторопласта -4 являются хладотекучесть, выделение токсичногофтора при высокой температуре и трудность его переработки.

Фторопласт -4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

ПОЛЯРНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

К полярным пластикам относятся фторопласт-3. органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиэтилентерефталат. Поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт 3(фторлон -3) — полимер трифторхлортилена, имеет формулу (-СF₂ -CFCl -)_n.

Введение

атома хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится полярным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется пластичность и облегчается переработка материала в изделия. Фторопласт -3, медленно охлажденный после формования, имеет кристалличность около 80 -85%. А закаленный — 30−40%. Интервал рабочих температур от -150 до 70 ⁰С. При температуре 315 ⁰С начинается термическое разрушение. Хладотекучесть у полимера проявляется слабее, чем у фторопласта -4. По химической стойкости он уступает политетрафторэтилену, но всё же обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов щелочей и органических растворителей.

Фторопласт -3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол 91 180кг/м³, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность92%), пропускает75% ультрафиолетового излучения. При температуре 80⁰С органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 -150⁰С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно. Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная стойкость. Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориентированием. Органическое стекло используется самолетостроение, автомобилестроение.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойкие к химикатам, не поддерживают горение. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Из винипласта изготовляют трубы детали вентиляционных установок теплообменников и т. д.

Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, амид. Полиамиды — кристаллизирующиеся полимеры. При одноосной ориентации получают полиамидные волокна, нити, пленки. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, гайки, шкивы. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия.

Полиуретаны — содержат уретановую группу. Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойкость и морозостойкость (от -60 до -70 ^оС). Верхний температурный предел составляет 120−170 ^оС. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, выпускается под названием лавсан. Полиэтилентерефталат является диэлектриком и обладает высокой химической стойкостью. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани.

Сталь 12ХГТ

Легирующие элементы, вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств. Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода образуют с железом твердые растворы замещения. Сталь 12ХГТ относится к сталям хромомарганцевым с добавлением титана. Марганец — сравнительно дешевый элемент, применяется, как заменитель в стали никеля. Как и хром, марганец растворяется как в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость, особенно доэвтектоидной стали.

Введение

небольшого количества титана, образующего труднорастворимые в аустените карбиды TiC, уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву. При нагреве стали 12ХГТ до 1000 ^оС с последующим подстуживанием до 870 ^оС, для закалки величина зерна сохраняется на уровне 8-го балла. Сталь 12ХГТ применяется: в зубчатых колесах коробок передач.

Механические свойства при комнатной температуре

Железоуглеродистый 1% С сплав

Сплав железа с углеродом (количество углерода 1%) при температуре 1200^оС.

Фазовые превращения.

С = К + 1 — Ф К = 1

Ф = 1

С = 1 +1−1=1

T (?c) Жидкая фаза + феррит 1% C

А D

H В Жидкая фаза

феррит J

Nжидкая фаза жидкая фаза

феррит + +

+ аустенит аустенит цементит (первичный)

Аустенит E аустенит + цементит C F

(вторичный)

1000 +

аустенит ледебурит Цементит (первичный)

G + (аустенит + цементит) +

феррит феррит аустенит ледебурит

800 +

S цементит

феррит 727 K

+ Pцементит перлит + цементит

цементит 600 (вторичный) (вторичный) цементит

(третичный) + + (первичный)

перлит ледебурит +

(феррит + (перлит + цементит) ледебурит

400 Q цементит) (перлит + цементит) L

феррит

+ 0.02 0.08 (2.14) 3 4 4.43 5 6 6.67

перлит Стали Чугуны

Содержание углерода,(%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Содержание цементита (Fe3C), (%).

Диаграмма состояния железо — карбид железа.

Кривая охлаждения в интервале температур от 0? до 1600? с

(с применением правил фаз) для сплава, содержащего 1,0% С.

T (?c)

1600 I

1490 ?с

1290 ?с

1200 ІІ

III

800 ІV 800? с

727?с

V

0 t (c)

время

0-Iжидкая фаза;

Iточка линии ликвидус (начало кристаллизации);

I-IIжидкая фаза + аустенит;

IIточка линии солидус (окончание кристаллизации);

II-IIIсплав приобретает однофазную структуру — аустенит;

IIIточка линии предельной растворимости С в г-Fe;

III-IVфаза равновесия аустенита и феррита;

IVточка линии эвтектоидных превращений сплавов;

IV-V-эвтектоидное превращение (феррит + цементит);

V-VI — область фазового равновесия перлита и цементита (вторичного).

1. М. М. Колосков, Ю.В. Доибенко-М, «Марочник сталей и сплавов «. Издательство «Машиностроение «.

2. Ю. М Лахтин, В. И Леонтьева, «Материаловедение» .

Издательство «Машиностроение», 1972.

3. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, «Материаловедение»

Издательство «Машиностроение», 1986.