Контрольная работа по "Материаловедению"

    Постоянными примесями сталей  являются марганец, кремний, фосфор  и сера, а также газы – кислород  и водород. Обычно содержание  первых в технической стали не выше 0,8% (Mn), 0,5% (Si), 0,05% (P и S). Более высокая концентрация этих элементов характерна для специальных сталей. Полезными примесями считают марганец и кремний. Марганец, в частности, вводят в сталь для её раскисления, т.е. устранения вредной закиси железа. Кроме того, он связывает и вредные соединения серы. Благодаря этому заметно повышается прочность стали при том же уровне пластичности, устраняется хрупкость при высоких температурах (красноломкость), обусловленная присутствием FS. Кремний вводят в сталь также в качестве раскислителя. Он повышает предел текучести стали, что ухудшает её способность к «холодной» обработке давлением. По этой причине в сталях для штамповки содержание кремния стремятся уменьшить.

     Фосфор и сера являются вредными  примесями. Фосфор уменьшает пластичность и вязкость стали, увеличивает её хладноломкость, поэтому его содержание стремятся ограничить (0,025-0,045%). Иногда, однако, его добавляют, чтобы улучшить обрабатываемость резанием и коррозийную стойкость стали в контакте с медью. Сера содержится в сталях в виде сульфида FeS, который образует с железом эвтектику с температурой плавления +988ºС. Эвтектика располагается по границам зёрен и делает сталь хрупкой при температурах «горячей» обработки давлением (эвтектика плавится, и связь между зёрнами ослабевает). При введении марганца сульфид железа превращается в пластичный сульфид марганца с температурой плавления +1620ºС. Сера снижает ударную вязкость, пластичность, предел выносливости, свариваемость и коррозионную стойкость сталей. Она попадает в сталь при выплавке из руд, а также при взаимодействии металла с печными газами.

     Азот и кислород присутствуют  в стали в виде хрупких оксидов  и нитридов (SiO₂, Al₂O₃, FeO, FeN и др.) или в свободном виде, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах). Эти элементы повышают хладноломкость стали и могут снизить предел её выносливости. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение стали, так как азот мешает движению её дислокаций и снижает пластичность. Водород находится в твёрдом растворе или порах и сильно охрупчивает сталь. При его повышенном содержании в поковках образуются «флокены» - трещины овальной формы, имеющие на изломе вид белых пятен. Их появление – свидетельство внутренних разрывов металла. Для предотвращения флокенов сталь после горячего деформирования медленно охлаждают или длительно выдерживают при +250ºС.

     Содержание вредных примесей  в сильной степени зависит  от способов получения и раскисления  стали. Так, содержание кислорода,  водорода и азота можно снизить, проводя выплавку в вакууме.

     Углерод в структуре машиностроительных  чугунов содержится в виде  графита. Поскольку концентрация  графита в чугуне значительна  (до нескольких процентов), а его механические свойства хуже, чем свойства окружающей металлической фазы, включения графита ослабляют чугун, образуя как бы сетку пустот и трещин в прочной матрице.

     Естественно, чем больше углерода  в виде графита в чугуне  и чем менее компактны его  включения, тем ниже прочность  чугуна, особенно при растяжении. Однако в некоторых случаях графит выступает как положительно действующий фактор – он способствует повышению обрабатываемости чугунов резанием, придаёт им антифрикционность, гасит вибрации и удары.

     Структура и свойства чугуна  существенно зависят от содержания  кремния (0,3-5%), который усиливает  его графитизацию. Постоянные примеси  марганца (0,5-0,8%) повышают механические свойства чугунов и препятствуют их графитизации. Фосфор (обычно не более 0,2-0,3%) находится в чугуне в растворенном состоянии. Он повышает жидкотекучесть и износостойкость, а также обуславливает хрупкость чугунов, так как при содержании 0,5-0,7% образует хрупкую фосфидную эвтектику с температурой плавления +950ºС. Тем не менее фосфор ухудшает обрабатываемость чугунов резанием. Сера ухудшает свойства чугуна. Её содержание ограничивают 0,12% (в высокопрочных чугунах – 0,03%).

    Вопрос №2. Технологические особенности производства изделий из полимерных материалов. Свободное литьё в формы. Оборудование и оснастка.

      Высокие удельная  прочность, коррозионная стойкость,  тепло- и электропроводность, а также комплекс других достоинств металлических материалов не могут полностью удовлетворить постоянно возрастающие требования специалистов, занимающихся разработкой принципиально новых видов техники и технологий. Кроме того, конструкторам и технологам приходится учитывать фактор истощения сырьевых запасов традиционных машиностроительных материалов, увеличение энерго- и трудозатрат, связанных с их разведкой, добычей и переработкой.

      По этой причине  важными проблемами современного  материаловедения являются разработка  неметаллических конструкционных  материалов и оптимизация их структуры с целью придания комплекса не характерных для металлов, необычных, часто противоречивых свойств. Актуальное направление решения этих проблем состоит в создании машиностроительных материалов на основе пластических масс, резины, древесины и керамики.

     Пластические массы  (пластмассы, пластики) – материалы  на основе полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и сохранять её после охлаждения. В зависимости от назначения и условий эксплуатации пластмассы могут содержать вспомогательные компоненты – наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, пигменты, смазочные вещества и др.

      Промышленность пластмасс,  зародившаяся в середине 19 в., высокими  темпами развивается с конца  1930-х годов. В начале 1990-х годов  мировое производство пластмасс  достигло 102 млн т/год, а в период  между 1980 и 1990 г. оно возросло  на 52%. Сегодня роль полимеров  в жизнедеятельности человека  настолько велика, что об уровне  жизни можно судить по масштабам потребления этих материалов. В 1995 г. среднее потребление пластмасс на душу населения в мире составляло 19,7 кг и колебалось в разных странах от 200 г (Пакистан ) до почти 200 кг (Бельгия). В Беларуси в конце 1990-х годов производство пластмасс составляло около 60 кг/чел. в год.

     2.1 Технология переработки пластмасс

     Переработка пластических масс – это комплекс технологических операций, обеспечивающих получение изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами с помощью специального оборудования. Переработке пластмасс предшествует проектирование конструкции изделия, выбор оптимального метода переработки, проектирование и изготовление технологической оснастки, разработка рецептуры полимерной композиции, её приготовления и подготовка к формованию (гранулирование, таблетирование и т.п.). Собственно переработка пластмасс включает формование изделий и их последующую обработку с целью улучшения свойств полимерного материала (термическая обработка, радиационное сшивание и др.).

     Вплоть до начала 20 века методы  переработки полимеров в изделия  копировали известные способы переработки таких материалов, как глина и мягкие металлы (литьё, прессование, штамповка), и лишь к середине 20 века появились новые технологические приёмы формования пластмасс, основанные на использовании специфических свойств полимеров, - пневмо- и вакуумформование, каландрование и др. Сейчас количество целевых методов и приёмов переработки пластмасс исчисляется десятками.

     При выборе технологии переработки  пластмасс можно использовать  следующую их классификацию, основанную на физическом состоянии полимерного материала в процессе придания изделию формы или формования изделия:

      1) из полимеров, находящихся в вязкотекучем состоянии, - экструзия, литьё под давлением, прессование;

      2) из листовых или плёночных  заготовок, находящихся в высокоэластическом состоянии, - вакуумформование, пневмоформование, горячая штамповка, вытяжка;

      3) из твёрдых полимеров, проявляющих  вынужденную высокоэластичность, - штамповка при комнатной температуре, прокатка;

      4) с использованием растворов  и дисперсий полимеров – получение  плёнок методом полива, формование оболочек методом окунания формы, ротационное формование оболочек из пластизолей (паст на основе ПВХ и пластификатора), нанесение полимерных порошковых покрытий;

      5) спекание прессованных порошковых  заготовок (прессовок) из реактопластов или термопластов с высокой вязкостью в вязкотекучем состоянии (фторопласты).

       Часто изделия из термопластов  и реактопластов могут быть  изготовлены несколькими различными  методами. Выбор метода переработки  для каждого конкретного изделия  определяется множеством факторов, важнейшими из которых являются:

     - конструкция изделия,

     - технологические свойства полимерного  материала,

     - условия эксплуатации изделия  и вытекающие из них требования  к нему (качество поверхности,  точность размеров, наличие арматуры, резьбы и др.),

     - предполагаемая тиражность изделия,

     - экономические и экологические  факторы (стоимость оборудования  и оснастки, их производительность и срок службы, затраты труда и квалификация работников, количество отходов материала и возможность их вторичной переработки и т. д.).

     Термопласты перерабатывают в изделия с помощью технологического оборудования, принцип действия которого основан на свойстве термопластичного материала обратимо переходить в вязкотекучее состояние. Промышленное применение получили следующие методы переработки термопластов: экструзия, литьё под давлением, компрессионное формование, спекание, механическая обработка.

        2.2. Литьё без давления. Оборудование и оснастка.

        2.2.1. Перерабатываемые материалы и ассортимент изделий.

    Процесс литья без давления  позволяет изготовить изделия  непосредственно из мономеров или олигомеров, минуя промежуточную стадию получения полимера. Иногда этот процесс называют «свободным литьём», «заливкой», «химическим формованием».

     Литьё без давления объединяет  в одном технологическом цикле  синтез полимера и его переработку.  Большинство мономеров в жидком (или расплавленном) состоянии обладает низкой вязкостью. Поэтому для осуществления процесса не требуется приложения значительного внешнего давления, а вполне достаточно давления порядка долей атмосферы или нескольких атмосфер, создаваемого перекачивающим оборудованием (насосами) [1].

     Технологическая схема получения  изделия методом литья без  давления приведена на рис.4.

      Методом литья без давления  перерабатывать как мономеры, дающие  при полимеризации термопластичные  продукты, так и термореактивные  материалы, дающие при отверждении неплавкие и нерастворимые продукты с пространственным строением. Этим методом можно получать изделия из ненаполненных, наполненных и высоконаполненных композиции.

       Типичными мономерами , дающими в  процессе полимеризации термопластичные полимеры, являются акриловые мономеры или порошкообразный ε-капролактам, полимеризация которого с получением капролона происходит в расплаве. Для осуществления полимеризации к жидкому мономеру добавляют инициаторы или катализаторы, а также активаторы, ускоряющие их действие [2-4]. В состав композиций могут входить наполнители (дисперсные или волокнистые), пластификаторы, пигменты и другие добавки, в частности полимерные модификаторы (каучуки) или сомономеры  (винилацетат, стирол и др.). Высокая прочность и химическая стойкость получаемых полиакрилатов и полиамидов, простота их переработки позволяют получать из этих материалов крупногабаритные изделия: детали судовых механизмов, работающие в узлах трения, - шестерни, втулки, прокладки; электротехнические изделия (капролон); плоские и рельефные листы, коробчатые изделия, монолитные объёмные детали, стержни, прутки, структурные и архитектурные элементы.

Рис.4. Технологическая схема получения изделий методом литья без давления:

I — участок приготовления жидких компонентов смеси: / — емкость для мономера 
(смолы); 2 — емкость для катализатора (инициатора, отвердитсля); 3 — емкость 
для активатора (пластификатора, разбавителя); 4, 5— реакторы для предваритель 
ного смешения компонентов; 6— реактор для приготовления форполимера (свя 
зующего);

II — участок приготовления твердых компонентов смеси: 7—9— емкости для на 
полнителей, пигментов, модификаторов; 10— промежуточный смеситель для сы 
пучих компонентов;

3. — участок смешения, заливки и формования композиций: // — смешение ком 
   позиций; 12— заливка композиции в форму; 13 — виброуплотнение композиции; 
   14 — вакуумиропанис композиции;
4. — участок отверждения композиций: /5— подогрев форм; 16— выдержка форм 
   до окончательного отверждения композиций; 17 — охлаждение форм;

V — участок подготовки форм: 18 — выемка изделия; 19— чистка и сборка форм; 
20 — смазка и подготовка форм; 21 — контроль готовых изделий

     Методом литья без давления  можно перерабатывать и композиции  на основе реакционноспособных олигомеров (ненасыщенных полиэфиров). Для химического сшивания к олигомерам добавляют отвердители, инициаторы, катализаторы. В состав олигомерных композиций могут также входить наполнители, красители, пластификаторы и другие добавки. Олигомерные литьевые смеси обычно применяются в наполненном состоянии (20 -50% по объёму) для приготовления заливочных масс, скульптурных и архитектурных деталей (эпоксидные и полиэфирные смолы), ремонтных мастик и шпатлёвок (фурановые, эпоксидые и полиэфирные смолы).