Контрольная работа: Материаловедение

В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Титановые сплавы отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Титановые сплавы концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

Табл. 1. — Химический состав промышленных титановых сплавов

Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
		Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	другие элементы
	ВТ5 ВТ5-1	4,3—6,2 4,5—6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2—3 Sn
Псевдо-	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2—1,4 1,0—2,5 3,5—5,0 6,0—7,5 7,2—8,2	— — — 0,8—1,8 —	— — — 0,5—2,0 0,2—1,0	0,2—1,3 0,7—2,0 0,8—2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18—0,5	— — — 1,5—2,5 Zr 0,5—1,5 Nb 10—12 Zr
+	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0—6,5 5,5—7,0 6,0—7,3 5,8—7,0 5,5—7,0 4,5—6,3 1,6—3,0 4,0—5,7	3,5—4,5 4,2—6,0 — — — 0,9—1,9 4,0—5,0 4,0—5,5	— — 2,8—3,8 2,8—3,8 2,0—3,0 2,5—3,8 4,5—5,5 4,5—5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0—2,5 — — 0,5—2,0	— — 0,20—0,40 0,20—0,36 0,15—0,40 — — —	— — — 0,8—2,5 Zr 0,2—0,7 Fe — — 0,5—1,5 Fe
	ВТ15	2,3—3,6	—	6,8—8,0	—	9,5—11,0	—	1,0 Zr

Двухфазные a + b-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных Титановые сплавы. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем a-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (s_b = 1500—1800 Мн/м² , или 150—180 кг/мм² ); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки.

Химический состав промышленных Титановые сплавы, выпускаемых приведён в табл. 1 (с разбивкой по типу структуры). По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Механические свойства Титановые сплавы в отожжённом и термически упрочнённом состоянии приведены в табл. 2. Кроме обычной термической обработки, состоящей из закалки и старения, применяются различные режимы отжига, термомеханическая обработка (например, закалка из-под штампа с последующим старением), а также изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации). В последнем случае достигаются очень однородные и высокие механические свойства. Титан и его сплавы могут подвергаться ковке, объёмной и листовой штамповке, прокатке, прессованию, волочению; из них можно получать те же полуфабрикаты, что и из др. конструкционных металлов, с учётом повышенной склонности титана к окислению при нагреве. Рекомендуется применять защитные эмалевые покрытия, которые при обработке давлением одновременно являются технологическими смазками. Термическую обработку следует проводить в печах с нейтральной атмосферой или в вакууме. Большинство промышленных Титановые сплавы имеют довольно узкий интервал кристаллизации и поэтому обладают удовлетворительными литейными свойствами. Для получения фасонных отливок предпочтительнее a-сплавы, которые, кроме хороших литейных свойств, позволяют заваривать дефекты. Наиболее употребительный литейный Титановые сплавы — сплав ВТ5Л. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л и др. В качестве материала для форм используются специальные керамические и графитовые смеси а также стальные кокили.

Табл.2. — Механические свойства титановых сплавов (типичные)

Марка сплава	Вид полуфа-бриката	Размеры (диаметр прутка или толщина листа, мм)	Режим термообра-ботки	Предел прочности, Мн/м2 (0,1 кгс/ мм2 )	Относи-тельное удлинение, %
ВТ5 ВТ5-1	Пруток Лист	10—60 0,8—10	Отжиг »	750—950 750—950	10 15—8*
ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	Лист » » » Пруток	0,3—10 0,3—10 0,5—10 1,0—10 25—35	Отжиг » » » »	500—650 600—750 700—900 950—1150 950—1150	25—20 20—13 20—12 12—8 10
ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	Лист Пруток » » » Лист Пруток »	1—10 10—60 10—60 10—60 10—60 0,6—10 4—16 25—60	Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг »	850—1000 1050 920—1120 1100 1000—1200 750 (при 450 °C) 600 (при 500 °C) 1200 1050—1250 1200 1000—1200 750 (при 400 °C) 650 (при 450 °C) 1200 850—1070 1100—1200 830—950 1100—1250	12—8 8 10 6 9 6 9 6 8 6 8 6—4 16 10
ВТ15	Лист	1—4	Закалка Закалка и старение	850—1000 1300	12 4

Первое значение для минимальной толщины, второе — для максимальной.

В стадии промышленной разработки находятся высоколегированные сплавы Ti — Ni, представляющие собой по составу практически чистое химическое соединение никелид титана. Сплавы такого типа, получившие название «нитинол», обладают способностью при определённых условиях восстанавливать свою первоначальную форму после некоторой пластической деформации («эффект памяти»), что используется, например, в автоматическом реле противопожарных устройств и т. п.

К недостаткам Титановые сплавы следует отнести низкие антифрикционные свойства; это требует применения покрытий и смазок трущихся поверхностей.

Термореактивные пластмассы, их особенности и область применения.

Термореактивные пластмассы в вязкотекучем состоянии при нагреве не обращаются, а хрупко разрушаются. К таким пластмассам относятся текстолит, стеклотекстолит и др. Максимальная температура эксплуатации стеклотекстолита доходит до 400 °С. Термореактивные пластмассы обработке сваркой не поддаются.

Таблица 3. Свойства термопластичных пластмасс

Материал	в, МПа	, %	кДж/м2	Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки),°С
Полиэтилен:
низкой плотности (<0,94 т/ м3)	10-18	300-1000	Не ломается	60-75
высокой плотности (> 0,94 т/м3)	18-32	100-600	5-20	70-80
Полипропилен	26-38	700-800	3-45	100
Полистирол	40-60	3-4	2	50-70
АБС (ацетобутиратстирол)	30-55	15-30	8-40	75-85
Поливинилхлорид:
жесткий	50-65	20-50	2-4	65-85
пластикат	10-40	50-350	Не ломается	50-55
Фторопласт-4	20-40	250-500	16	250
Фторопласт-3	37	160-190	8-10	150
Органическое стекло	80	5-6	2	65-90
Поликарбонат:
без наполнителя	60-65	80- 120	20-30	135
с 30% волокна	90	3,5	8	145
Капрон:
сухой	75-85	50-130	3- 10	80-100
насыщенный водой	35-50	160-250	45	—
сухой + 30 % волокна	180	3	12	100-130
насыщенный водой + 30% волокна	100- 125	4	18	—
Эпоксидный пластик	60	4	1,8	—
+ 65 % стеклянной ткани (для сравнения)	500	~2,5	—	130
* По ГОСТ 4647-80.

Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.

Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолофор-мальдегидных и кремнийорганических полимеров. Пластмассы применяют в отвержденном виде; они имеют сетчатую структуру и поэтому при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами. Термореактивные пластмассы нерастворимы, способны лишь набухать в отдельных растворителях, водостойки и поглощают не более 0,1 0,5% Н₂ 0.

Все полимеры при отверждении дают усадку; она минимальна у эпоксидных полимеров (0,5-2%) и особенно велика у полиэфиров (~ 10%). Для уменьшения усадки и повышения прочности используют наполнители и регулируют условия отверждения. Отверждение эпоксидных и полиэфирных пластмасс не связано с выделением побочных веществ, поэтому при изготовлении изделий нет надобности в больших давлениях. Эти пластмассы пригодны для изделий больших размеров. Если при отверждении выделяются низкомолекулярные вещества (например, у фенопластов), то изделия получают под давлением во избежание образования вредной пористости и других дефектов. При переработке фенолоформальдегидных и некоторых других пластмасс необходимые давления велики – в пределах 10— 100 МПа, поэтому размеры изделий ограничены техническими возможностями прессового оборудования. Все термореактивные полимеры после отверждения имеют низкую ударную вязкость и поэтому используются с наполнителями.

Преимуществом наполненных термореактивных пластмасс является большая стабильность механических свойств и относительно малая зависимость от температуры, скорости деформировании и длительности действия нагрузки. Они более надежны, чем термопласты. При испытаниях на растяжение материалы разрушаются без пластического течении и образования шейки. Верхняя граница рабочих температур реактопластов определяется термической устойчивостью полимера или наполнителя (меньшей из двух). Несмотря на понижение прочности и жесткости при нагреве, термореактивные пластмассыимеют лучшую несущую способностьв рабочем интервале температур, и допустимые напряжения (15 — 40 МПа) для них выше, чем для термопластов. Важными преимуществами термореактивных пластмасс являются высокие с удельная жесткость E/(g) и удельная прочность в /(g). По этим показателям механических свойств реактопласты со стеклянным волокном или тканями превосходят многие стали, сплавы титана и сплавы алюминия. Термореактивные порошковые пластмассы наиболее однородны по свойствам. Такие пластмассы хорошо прессуются и применяются для наиболее сложных по форме изделий. Недостаток порошковых пластмасс - пониженная ударная вязкость (табл. 4).

Волокниты — это пластмассы, в которых наполнителем являются волокна. Они отличаются повышенной прочностью, а главное - ударной вязкостью. Благодаря волокнам ударная вязкость превышает 10 кДж/м² , а при использовании стеклянного волокна достигает 20-30 кДж/м² . Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость (до 200 °С) с высоким коэффициентом трения в паре со сталью и поэтому применяются в тормозных устройствах для обкладок и колодок. Изделия из волокнитов прессуют при повышенных давлениях. Из-за низкой текучести материала применение волокнитов ограничено изделиями простой формы.

Особую группу волокнитов образуют материалы с параллельно расположенными волокнами наполнителя. Такую структуру имеют изделия, полученные намоткой стеклянного волокна. Ориентация волокон служит причиной анизотропии. Вдоль волокон прочность максимальна, а в поперечном направлении — минимальна.

Слоистые пластики представляют собой группу самых прочных и универсальных по применению конструкционных пластмасс. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают материалам анизотропность.

Свойства слоистых пластиков зависят от вида полимера, наполнителя, способа укладки листов и объемного соотношения между полимером и наполнителем. По виду наполнителя слоистые пластики разделяются на следующие виды: текстолиты-материалы с хлопчатобумажными тканями; гетинаксы - с бумагой; древеснослоистые пластики - с древесным шпоном; стеклотекстолиты - с тканями из стеклянного волокна. Наименее прочными являются гетинаксы, максимальную прочность имеют стеклотекстолиты. Из всех слоистых плавиков текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше поглощают вибрацию.

Таблица 4. Свойства термореактивных пластмасс

Материал	в, МПа	, %	кДж/м2	Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки),°С
Термормореактивные полимеры без наполнителей:
фенолоформальдегидные	15-35		Менее 1	200
полиэфирные	42-70			95-120
эпоксидные	28-70			150-175
кремнийорганические	22-42			350
Порошковые пластмассы	30-60	1-3	0,5-5	100-200
Волокниты	30-90	1-3	10-20	120-200
Гетинаксы	60-70	—	4-5	125
Текстолиты	65-100	1-3	20-35	90-105
Стеклотекстолиты	200-600	1-3	50-200	200-400
Пористые пластмассы	0,5-2,5	-	Около 1	-
* По ГОСТ 4647-80.

Обычно слоистый пластик содержит около 50% полимера; при меньшем его созержании материал более экономичен, но зато менее прочен и неводостоек.

Способ укладки листов в слоистой пластмассе особенно важен, когда сами листы наполнителя неоднородны по структуре и свойствам. Для древесного шпона различие в прочности вдоль и поперек волокон общеизвестно. В тканях наибольшую однородность свойств

обеспечивает полотняное переплетение. Здесь нити основы и нити утка равномерно переплетены друг с другом. В кордной ткани, напротив, прочность максимальнавдоль нитей основы, а нити утка расположены редко и предназначены толькодля сплетения основы.

Стеклянное волокно не так эластично, и полимерное или хлопчатобумажное. Стеклоткань полотняного переплетения в стеклотекстолитах обеспечивает минимальную прочность, так как при частых перегибах волокна получается больше обрывов. Наивысшая прочность (правда в одном направлении) получается при укладке слоев стеклянного волокна в соотношении 10:1, т. е. в 10 слоях волокна имеют одинаковое направление, а в одиннадцатом - направление волоконизменяется на 90°. Предел прочноститакого материала 850-950 МПа. При укладке такого же наполнителя соотношении 1:1, т. е. направления волокон и соседних слоях перекрещиваются под углом лом 90°, прочность уменьшается вдвое. При любом способе укладки волокна или ткани материалы анизотропны и степень анизотропии составляет 2-10.

Гетинаксы в зависимости от свойств составляющих применяются как электроизоляционные или строительно-декоративные материалы для облицовки производственных помещений, салонов самолетов и т. п.

Текстолит используется для разнообразных средненагруженных трущихся деталей, включая зубчатые колеса я кулачки. Среди достоинств текстолита — сопротивление износу, отсутствие схватывания со стальными деталями.

Стеклотекстолиты сочетают малую плотность (1,6-1,9 т/м³ ) с высокой прочностью и жесткостью. Наивысшую прочность обеспечивает эпоксидная связка, а минимальную-кремнийорганические полимеры. Стеклотекстолиты по способности поглощать вибрации превосходят стали, сплавы титана и сплавы алюминия и поэтому имеют хорошую выносливость при переменных нагрузках. По тепловому расширению эти материалы близки к сталям. Нужно отметить, что минимальные значения прочности и жесткости проявляются в направлениях под углом 45° к волокнам.

При нагреве полимерная связка разупрочняется быстрее волокна, поэтому прочность на сжатие и на сдвиг снижается быстрее прочности на растяжение.

Слоистые пластики со стеклянным или полимерным волокном в течение десятков секунд выдерживают температуру свыше 3000 °С. В поверхностных слоях разрушается полимер, оплавляется наполнитель и образуется тугоплавкий кокс, который защищает более глубокие слои материала. Эта особенное п. лежит в основе применения пластмасс в качестве теплозащитных материалов.

Термореактивные полимеры используют в виде клеев, а также при изготовлении оболочковых форм для отливок, различной технологической оснастки, абразивного инструмента. Клеи представляют собой сложные смеси с порошковыми наполнителями, необходимыми для уменьшения теплового расширения. После отверждения тонкие клеевые пленки (0,05-0,25 мм) прочны на срез (т_среза = 1020 МПа), обеспечивают герметичность соединения, не снижают прочность склеенных деталей и хорошо сопротивляются усталости. Максимальную прочность обеспечивают феноло-формальдегидные клеи, а тепло-стойкость - клеи на основе кремнийорганических полимеров. Склеивание применяют там, где клеевая пленка работает на срез; при приклеивании тормозных обкладок, фиксации болтов и шпилек, закреплении вкладышей подшипников и т. п.