Контрольная работа по "Материаловедение"

развивается следующим образом.

1. В твердом растворе образуются  субмикроскопические области - зоны

с повышенным содержанием меди. Если, например, в твердом растворе со-

держится 4% Си, а в химическом соединении Ө (А12Сu), которое, в конечном

счете должно выделиться из твердого раствора, 52% Си, то концентрация ме-

ди в зонах является промежуточной и возрастает по мере развития процесса.

Эти зоны получили название зон Гинье-Престона (ГП). Зоны ГП в сплавах

Al-Cu имеют  пластинчатую форму и образуются  на кристаллографических

плоскостях (100). Зоны ГП - это часть твердого раствора, их кристаллическая

структура такая же, как и твердого раствора, но постоянная решетки не-

сколько меньше из-за повышенной концентрации меди, атомный радиус ко-

торой меньше, чем алюминия. Для зон ГП характерны небольшие размеры

(толщина 0,5..1,0 нм, диаметр 4... 10 нм).

2. B твердом растворе образуются выделения промежуточной Ө″ -фазы,

состав которых соответствует фазе Al2Cu.

Фаза Ө″ с тетрагональной, отличной от матрицы решеткой полностью

когерентна с алюминиевым твердым раствором. Для этой фазы характерно

упорядоченное взаимное расположение атомов меди и алюминия, при кото-

ром часть плоскостей занята только атомами меди, а часть - только атомами

алюминия. Максимальная толщина выделений Ө″ составляет 10 нм, а диа-

метр - до 150 нм. Ө " лишь условно может называться фазой, поскольку час-

тицы Ө " не имеют дискретной границы раздела с матрицей.

3. Из твердого раствора выделяются  частицы промежуточной Ө′ -фазы.

Эта стадия является началом собственно распада твердого раствора. Фаза Ө′

по составу соответствует стабильной фазе Ө (А12Сu), имеет свою кристалли-

ческую решетку, отличную и от решетки алюминия, и от решетки Ө-фазы,

промежуточную в том смысле, что она легче сопрягается с решеткой алюми-

ния, чем решетка Ө -фазы. Выделения Ө′ -фазы сопряжены, когерентны с

решеткой алюминия по плоскостям (100). Таким образом, Ө′ - фаза не пол-

ностью отделена от матрицы поверхностью раздела. Выделения Ө′-фазы об-

разуются из Ө″-фазы, однако при повышении температуры не все частицы Ө

" превращаются  в частицы Ө′. часть их растворяется, вместе с тем не исклю-

чена возможность образования частиц Ө′ непосредственно из твердого рас-

твора.

4.Образование стабильной Ө-фазы (Al2Cu), когерентность решеток

матрицы и выделяющейся фазы полностью нарушаются.

5. Коагуляция Ө -фазы (А12Сu).

Деление процесса распада на 5 приведенных выше стадий условно, (в

сплаве могут быть одновременно зоны ГП и Ө″ -, Ө″ - и Ө′, Ө′ - и Ө-частиц),

но полезно для понимания направления, в котором идет процесс.

Рассмотренные выше стадии охватывают процесс распада пересыщен-

ного твердого раствора полностью, до получения равновесного состояния.

При естественном старении обычно образуются зоны ГП, при искусст-

венном старении - Ө′-фаза. Четвертая и пятая стадии наблюдаются лишь при

отжиге, т.е. при нагреве до температур 300..400 °С.

Схема распада пересыщенного твердого раствора в сплавах Al-Cu в ос-

новном справедлива и для термически упрочняемых сплавов других систем,

двойных и более сложных. Отличие заключается лишь в том, что в каждом

сплаве - свои (одна или несколько) упрочняющие фазы. Упрочняющими фа-

зами в алюминиевых сплавах являются интерметаллиды, которые характери-

зуются переменной растворимостью в алюминии и при нагреве под закалку

растворяются в алюминии, а при старении и других нагревах закаленного

сплава выделяются из пересыщенного твердого раствора (или, по крайней

мере, происходят процессы подготовки к их выделению).

В сплавах Al-Cu упрочняющей фазой является Ө-фаза (А12Сu), выше

описаны промежуточные этапы ее выделения из пересыщенного твердого

раствора. В других алюминиевых сплавах упрочняющими фазами служат: в

Al-Cu-Mg-сплавах - Ө (А12Сu) и S (Al2CuMg); в Al-Zn-Mg- и А1-Zn-Mg-Cu-

сплавах - η (MgZn2) и Т (Al2Mg3Zn3); в Al-Mg-Si-сплавах -β (Mg2Si); в Al-Li-

сплавах - δ(AlLi).

При выделении каждой упрочняющей фазы из пересыщенного твердо-

го раствора установлены промежуточные стадии, аналогичные тем, которые

выше описаны для А1-С2хf3u-сплавов.

Стадии распада пересыщенного твердого раствора в различных алю-

миниевых сплавах можно изобразить следующим образом:

 

в сплавах

Al-Cu:   α→ зоны ГП → Ө"→ Ө '→Ө (А12Сu)

Al-Cu-Mg:  α→ зоны ГП →S"→S′→ S (Al2CuMg)

Al-Zn-Mg:  α→зоны ГП → η' →η → T(Al2Mg3Zn3)

Al-Mg-Si:  α→зоны ГП →β'→ β (Mg2Si)

 

Условия распада твердого раствора:

1) Пересыщенность твердого раствора  легирующими компонентами;

2) Определенная пересыщенность  вакансиями.

Если концентрация вакансий меньше некоторой критической величины

(вполне  определенной для каждого сплава), то распад твердого раствора  не

начинается, несмотря на его пересыщение легирующими компонентами.

Последнее положение иллюстрируется довольно широко распространенным для

алюминиевых и других сплавов явлением: при изучении структуры состаренных спла-

вов в электронном микроскопе у границ зерен, которые являются местом стока вакан-

сий, обнаруживаются зоны твердого раствора, свободные от выделений, т.е. зоны не-

распавшегося твердого раствора (рис. 13). В результате стока вакансий к границам зе-

рен в процессе охлаждения с температуры закалки концентрация вакансий в пригра-

ничных объемах твердого раствора оказывается меньше критической.

Холодная пластическая деформация закаленных алюминиевых спла-

вов, которая значительно увеличивает плотность вакансий и дислокаций в

решетке, ускоряет распад твердого раствора при прочих равных условиях,

поскольку выделение промежуточных фаз предпочтительнее на дефектах

кристаллической решетки.

Рис. 13 Структура сплава Al-4,2% Zn-l,8°/o Mg, состаренного при 180°С, 5 ч. х 26000

 

Изменения структуры алюминиевых сплавов при распаде пересыщен-

ных твердых растворов влияют на свойства.

На рис.14 схематично показана типичная закономерность изменения

прочности закаленных алюминиевых сплавов в зависимости от температуры

нагрева при последующей термообработке. Рост прочности связан с первыми

стадиями процесса распада пересыщенных твердых растворов образованием

зон ГП, с выделением промежуточных метастабилных Ө"-Ө'-фаз (в сплавах

Al-Cu). Последующие  стадии - нарушение когерентности  выделений мета-

стабильных фаз, образование и коагуляция стабильных фаз - обусловливают

снижение прочности.

Экспериментальные кривые изменения прочности дуралюмина в зави-

симости от температуры и продолжительности старения показаны на рис.

15. Температуру старения алюминиевых сплавов выбирают экспе-

риментально, она обычно соответствует либо образованию в пересыщенных

твердых растворах зон Г.П., либо выделению метастабильных когерентных

фаз.

Рис.14 Типичная закономерность изменения прочности закаленных алюминиевых

сплавов в зависимости от температуры старения - схема (продолжительность старе-

ния постоянна)

Рис. 15 Кривые изменения прочности дуралюмина в зависимости от продолжи-

тельности старения при различных температурах (числа на кривых – t, о).

При выборе режима старения (температура и продолжительность), как

правило, исходят из условия обеспечения максимальной прочности. Темпе-

ратура старения на максимальною прочность для различных алюминиевых

сплавов колеблется от 20 °С (комнатная) до 200 °С. В последнее время, одна-

ко, нередки случаи, когда при выборе режима старения определяющими яв-

ляются другие свойства (например, коррозионная стойкость) и при этом при-

ходится мириться с некоторым снижением прочностных характеристик спла-

ва.

В России принята следующая система обозначений состояний дефор-

мируемых алюминиевые сплавы после упрочняющей обработки: закалка и ес-

тественное старение - Т; закалка и искусственное старение на максимальную

прочность - Т1; закалка и искусственное старение с некоторым перестарива-

нием для повышения коррозионной стойкости (главным образом с целью

обеспечения достаточной устойчивости против расслаивающей коррозии) -

Т2; закалка и искусственное старение с большим перестариванием, чем в

предыдущем случае, для обеспечения необходимой устойчивости против

коррозионного растрескивания - ТЗ. Два последних состояния относятся в

основном к высокопрочным сплавам системы А1-Zn -Mg-Cu. Т5 - закалка

п/ф-ов с температуры окончания горячей обработки давлением и последую-

щее искусственное старение на максимальную прочность; Т7 – закалка, уси-

ленная правка растяжением (1,5 - 3 %) и искусственное старение на макси-

мальную прочность.

Для литейных сплавов используется другая система обозначения со-

стояний: закалка - Т4: закалка и кратковременное (неполное__________) искусствснное

старение - Т5; закалка и полное искусственное старение - Т6; закалка М -

мягкий, отожженый; Н - нагартованный; Н3 - нагартованный на три четверти;

Н2 - нагартованный на одну вторую; Н1 - нагартованный на одну четверть;

закалка и стабилизирующий отпуск - Т7; закалка и смягчающий отпуск - Т8;

искусственное старение без предварительной закалки - Т1.

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 5. Опишите стеклопластики. Укажите характеристики наполнителя по природе и форме. Опишите методы формирования крупногабаритных изделий из стеклопластиков и армированных различными волокнами пластмасс.

 

Стеклопла́стики — вид композиционных материалов — пластические материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры).

 

Стеклопластик — материал с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющий широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.

Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят сталь по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика, стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11-13‧10⁶ 1/°С), что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Плотность стеклопластика, полученного путем прессования или намотки, составляет 1,8-2,0 г/см³.

До недавнего времени стеклопластики использовались преимущественно в самолётостроении, кораблестроении и космической технике. Широкое применение стеклопластиков сдерживалось, в основном, из-за отсутствия промышленной технологии, которая позволила бы наладить массовый выпуск профилей сложной конфигурации с требуемой точностью размеров. Эта задача успешно решена с созданием пултрузионной технологии. Существуют достаточно много методов, позволяющих массово производить стеклопластиковые изделия различной конфигурации, необязательно профили — например, RTM, вакуумная формовка. 

Основным составляющим стеклопластика является стекловолокно.

Стекловолокно и минеральная вата – материалы, довольно активно использующиеся в строительстве в настоящее время. Оба материала обладают рядом интересных характеристик, обуславливающих их широкое применение.

Изготовление Стекловолокна.

Стекловолокно изготавливается из расплавленной стекломассы, и оно бывает двух видов: непрерывное (длиной в десятки, сотни метров) и штапельное (длиной до полуметра). Эти виды стекловолокна производятся различными способами: непрерывное стекловолокно делается из расплавленной стекломассы механическим вытягиванием ее через отверстия, у которых может быть различный диаметр. Штапельное стекловолокно формуют из предварительно полученных заготовок (стеклянных шариков, штабиков и т.п.). Оба вида готовой продукции напоминают ткани, с той лишь разницей, что непрерывное стекловолокно похоже на нити натурального или искусственного шелка, а штапельное – на волокна хлопка или шерсти незначительной длины.

За счет простоты изготовления и доступности исходного сырья, стекловолокно оказывается самым дешевым видом высокопрочных волокон.

Свойста Стекловолокна.

В таком виде (в виде тонких стеклянных «нитей») стекло приобретает неожиданные, можно сказать, уникальные свойства: оно не бьется и не ломается, оно способно сгибаться без раскалывания. При этом стекловолокно обладает повышенной прочностью при сжатии и растяжении, оно термостойкое и негорючее, оно не поддается химическому и биологическому воздействию. Кроме того, стекловолокно, как и обычное стекло, обладает низкой гигроскопичностью.

 

Технологии производства изделий из стеклопластиков. 
 
 Одним из важнейших преимуществ технологии производства изделий из стеклопластика является короткий цикл освоения и подготовки производства изделий из стеклопластика, который составляет всего 2 недели. А так же технология производства позволяет производить изделия практически любой сложности. Это говорит о том, что предприятие в коротких срок может начать производство любых изделий и любой цветовой гаммы. Стеклопластики и базальтопластики получают различными методами: протяжки, пропитки, намотки и прямого прессования.  
 
 Открытые методы формования 
 
 Метод ручной выкладки 
 
 Наиболее простой по аппаратурно-технологическому оформлению. Его применяют для изготовления крупных изделий: строительных конструкций, корпусов лодок, кузовов автомобилей. Примером наиболее крупного изделия, получаемого ручной выкладкой, является корпус тральщика длиной 50 и шириной 8 м. При этом методе исключена возможность регулирования содержания наполнителя. К другим недостаткам относятся:  
- большие затраты ручного труда 
- высокие расходы на материал 
- длительный цикл изготовления изделия.  
 
 Достоинством метода является его универсальность, т.е. получение изделий практически любых форм и размеров.  
 
 Так как прикатка формуемого изделия рифленным валиком для удаления воздуха и уплотнения материала производится при низких усилиях (менее 1,5 МПа), то нагрузка на формы также невилика, в связи с чем в большинстве случаев применяют формы из стеклопластиков, которые примерно в 10 раз дешевле соответствующих форм для горячего прессования. Низкая стоимость стеклопластиковых форм явилась основной предпосылкой применения метода ручной выкладки в малосерийном производстве, тем более что невысокая износостойкость этих форм ограничивает срок их службы выпуском всего нескольких тысяч деталей. В данной области производства изделий действуют в основном мелкие предприятия. Несмотря на перечисленные недостатки, метод ручной выкладки довольно распространен.  
 
 Метод напыления 
 
 Более всего подходит для изготовления недорогих деталей простой конфигурации из полиэфирных стеклопластиков, особенно санитарно-технических изделий. В основном их получают из органического стекла, усиленного с наружной стороны слоем из ненасыщенных полиэфирных смол. Чаще всего формы, используемые для изготовления изделий напылением, выполняют из дерева или стеклопластиков, а при больших партиях изделий — из стеклопластиков с металлической облицовкой.  
 
 Метод напыления более производительный и менее дорогой, чем ручная выкладка, но имеет ряд недостатков:  
затруднено изготовление изделий сложной конфигурации;  
стекловолокнистая пыль, находящаяся во взвешенном состоянии, а также пары мономера загрязняют воздух, ухудшая условия труда.  
 
 Способ напыления довольно простой (рубленое волокно пропитывают отверждающейся смолой, и затем эту смесь равномерным слоем с помощью распылительного устройства наносят на форму, где и происходит отверждение), но, тем не менее, требует точного соблюдения определенных условий. Прежде всего, необходим строгий контроль за качеством смешения смолы, загустителя и инициатора.  
 
 Хорошее качество смеси получается при использовании высокопроизводительных, плавно работающих насосов, дозаторов и смесителей, при этом необходимы постоянные температуры смешиваемых компонентов, массовая доля стекловолокна (обычно ~20 %) и одинаковая длина волокон.  
 
 Многообразие получаемых при напылении деталей вызывает необходимость не только в автоматической подаче материала, но и в системах распознавания оснастки (головки распылителя, захватов, вставных деталей). Так как это требует значительных капиталовложений, то эффективно только при изготовлении сложных высококачественных изделий.  
 
 Метод намотки 
 
 Данный метод применяется при изготовлении тел вращения: труб для нефтегазовой, химической промышленности; газоотводящих труб; цистерн для хранения и транспортировки химически активных продуктов, воды, горюче смазочных материалов; промышленных резервуаров.  
 
 Емкости и трубы из стеклопластика имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. Стоимость оборудования и оснастки значительно зависит от метода намотки и диаметра изготавливаемого изделия. Намотка обеспечивает создание ориентированной структуры изделий с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве усилителя жгутов, лент, нитей из высокопрочных стеклянных волокон способствует достижению максимальной прочности изделий.  
 
 Намотка, относящаяся к способам производства специальных изделий, позволяет изготавливать их разнообразной конфигурации и размеров: самые маленькие могут быть длиной в несколько сантиметров и диаметром в несколько миллиметров; примерами крупных изделий могут служить корпуса маяков, судов и железнодорожных цистерн. При изготовлении несложных изделий, таких как трубы, наибольшая экономическая эффективность достигается при непрерывной намотке, обеспечивающей высокую серийность производства. Изготовление прецизионных деталей с переменным диаметром требует ведения процесса в периодическом режиме. В этом случае для обеспечения высокопроизводительного процесса с невысокими затратами используют современные наиболее совершенные и сложные в техническом отношении машины типа токарного станка. Эти машины характеризуются высокой скоростью хода осевого суппорта (≥ 2 м/с), имеют программное управление и электронные системы контроля траекторий движения оправки и глазка нитеправителя, обеспечивающие точность позиционирования < 0,1 мм.  
 
 Закрытые методы формования 
 
 Закрытыми способами формуют препреги и премиксы на основе реактопластов и термопластов. Из них преимущественно получают детали, отличающиеся высокой термостойкостью, стойкостью к тепловому старению, жесткостью и твердостью поверхностного слоя, хорошими звуко-, электро- и теплоизоляционными свойствами.  
 
 Пропитка под давлением 
 
 Процесс был запатентован в 40-х годах под названием Marco-метод. Пропитка под давлением предназначена преимущественно для мелкосерийного производства (менее 20 тыс. шт.) и характеризуется минимальным выделением мономера по сравнению с другими методами, позволяет быстро перейти на выпуск новой продукции, так как при этом используют недорогую и простую по конструкции оснастку. К недостаткам относятся:  
 
- невозможность получения деталей с высоким качеством поверхности без последующего покрытия;  
- невысокая производительность;  
- значительная усадка изделий.  
 
 Существует множество машин, работающих по методу пропитки под давлением, — от небольших с большими затратами труда до сложных автоматических установок. Наиболее эффективные из применяемых способов повышения производительности процесса пропитки под давлением следующие: