Теория конструкционных материалов

Для достижения этих свойств нужна высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15 (1 % С и 1,5 % Cr). Для крупных колец используют сталь ШХ15СГ (1 % С, 1,5 % Cr, 0,5 % Si и 1,5 % Mn): она прокаливается на большую глубину.

Типичная причина отказа узла - разрушение шариков или роликов и усталостное выкрашивание их поверхности. Поэтому очень важно, чтобы сталь не содержала неметаллических включений - источников разрушения. Для этого применяют электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав: ШХ15-Ш, ШХ15-ВД.

Термообработка заключается в закалке с охлаждением в масле и низком отпуске. Структура: мартенсит и мелкие карбиды. Твердость колец и роликов должна составлять 60-65 HRC, шариков - 62-66 HRC.

Износостойкие стали

Это стали для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов: траков гусеничных машин, ковшей экскаваторов, крестовин железнодорожных рельсов.

В таких условиях применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л (1,1 % С и 13 % Mn). После закалки в воде эта сталь имеет структуру аустенита, она мягкая и вязкая. Но в процессе эксплуатации при ударных нагрузках в аустените возникает множество дефектов, и он упрочняется. Кроме того, под действием напряжений происходит мартенситное превращение. Твердость с 200 HB возрастает до 600 HB.

Но в условиях чисто абразивного износа эта сталь неэффективна. Применяют карбидные сплавы (содержат до 4 % С, много Cr, W, Ti), в структуре которых до 50 % составляют карбиды. Но это уже не стали. Их применяют в литом виде и как наплавочные материалы.

Коррозионно-стойкие стали

Коррозия - это разрушение металлов под действием окружающей среды. В коррозионно-стойких сталях этот процесс идет с малой скоростью.

Электрохимическая коррозия идет в растворах электролитов: влажной почве, атмосфере, в морской и речной воде. Металл растворяется из-за коррозионного тока между более и менее электроположительными участками сплава.

Электроположительными, не подверженными электрохимической коррозии, являются металлы: Pt, Au, Ag, Cu (а также Sn и Pb во многих средах). Но и электроотрицательные металлы тоже могут противостоять коррозии: Ti, Al, Cr. Они пассивируются, т. е. образуют защитные пленки оксидов на поверхности.

В коррозионно-стойких сталях основным легирующим элементом является хром. Его количество должно превышать 12,5 %, так как только при таком содержании он образует сплошную пленку оксида Cr2O3 на поверхности стали, и скорость коррозии резко снижается:

При нормальной температуре во влажном воздухе, воде, некоторых кислотах используют хромистые стали:

12Х13 (штампо-сварные емкости, арматура),

20Х13 и 30Х13 - шестерни, пружины, валы,

40Х13 - хирургический и бытовой режущий инструмент.

Сталь 12Х13 относится к мартенсито-ферритному классу: г > б превращение проходит не полностью; 20Х13 и остальные - мартенситного класса, имеет полное г > б превращение.

Термообработка хромистых сталей состоит в закалке и высоком отпуске.

При повышенной температуре в тех же средах применяют хромо-никелевые стали: 12Х18Н10Т, 17Х18Н9 и др. Благодаря никелю их структура после закалки - аустенит. Титан должен связывать углерод, чтобы хром находился в твердом растворе, а не в карбидах. Иначе, при недостатке хрома в твердом растворе, возникает опаснейшее явление: межкристаллитная коррозия. Причиной является выделение карбидов хрома на границах зерен при нагреве. Границы обедняются хромом (<12,5 %), и развивается коррозия. Эти стали свариваются и штампуются, можно делать трубопроводы, емкости, оболочки, вакуумные камеры.

Стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т считаются стабилизированными (не склонными к межкристаллитной коррозии). Сталь 17Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии, ее можно использовать только до 400 °C и нельзя сваривать. В некоторых марках дефицитный никель частично заменен марганцем: 10Х14Г14Н4Т.

Термообработка сталей - закалка в воде.

Лекция 14

Инструментальные стали и сплавы

Эти материалы предназначены для изготовления режущих, измерительных и деформирующих инструментов.

1) Материалы для режущих инструментов работают в тяжелых условиях: режущие кромки нагреваются и истираются в процессе работы. Поэтому очень важно, чтобы инструменты при высоком нагреве сохраняли достаточную твердость. Важнейшие свойства инструментальных сталей - износостойкость и красностойкость (способность сохранять твердость при нагреве). От красностойкости зависит скорость резания и производительность обработки.

а) Углеродистые инструментальные стали выплавляют качественными и высококачественными: У7, У8, …, У13; У7А, …, У13А.

В состоянии поставки они имеют структуру зернистого перлита и твердость 187-217 HB. Прокаливаемость низкая, критический диаметр не превышает 12 мм. Теплостойкость до 200 °C.

Окончательная термообработка заключается в неполной закалке и низком отпуске (150-180 °C), при этом получается структура мартенсит отпуска и цементит, твердость до 64 HRC.

Из углеродистых сталей делают мелкий инструмент для обработки мягких материалов с малыми скоростями резания: метчики, сверла, напильники, шаберы, слесарный, кузнечный и деревообрабатывающий инструмент.

б) Низколегированные инструментальные стали содержат до 5 % легирующих элементов (хром, марганец, кремний, вольфрам).

Их теплостойкость - до 260 °C, прокаливаемость больше, чем у углеродистых сталей. Можно делать более крупные инструменты, более сложной формы. Структура в состоянии поставки и термообработка такие же, как у углеродистых сталей, твердость до 69 HRC.

Примеры сталей этой группы:

ХВ4 - «алмазная сталь» (твердость после закалки 67-69 HRC), применяется для чистовой обработки твердых материалов, граверного инструмента, пил по металлу;

стали марок Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ применяются для фрез, сверл, разверток, протяжек, работающих с небольшими скоростями резания.

в) Быстрорежущие стали относятся к высоколегированным, применяются для инструментов высокой производительности.

Важнейшие легирующие элементы в этих сталях - вольфрам и молибден. Они связывают углерод в карбид M6C, который в процессе отпуска при 500-600 °C выделяется из мартенсита, создавая вторичную твердость.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова rapid - быстрый), затем ставится содержание вольфрама в процентах, далее - остальные легирующие элементы и их содержание. Углерода во всех сталях этой группы примерно 0,8 %, хрома - 4 %, ванадия обычно около 2 %. Все эти элементы в марку стали не включаются.

Стали Р18, Р9, Р6М3, Р6М5 считаются сталями нормальной производительности с теплостойкостью до 620 °C.

Стали Р6М5К5, Р10К5Ф5 - повышенной производительности, теплостойкость до 640 °C.

Кобальт повышает энергию межатомной связи, поэтому затрудняет коагуляцию карбидов. В сталях с кобальтом карбиды мельче.

Благодаря легированию, инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твердость до 560-640 °C и могут работать со скоростью резания в 2-4 раза больше, чем углеродистые.

В литом состоянии эти стали содержат карбидную эвтектику по границам зерен, напоминающую ледебурит. Для устранения этой хрупкой составляющей стали куют и отжигают на зернистый перлит.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки с трехкратным отпуском. Нагрев делается ступенчатый, в соляных ваннах, а охлаждение выполняется в горячей среде, чтобы уменьшить коробление и избежать закалочных трещин.

В нагретом под закалку состоянии структура стали - аустенит и первичные карбиды. После закалки сталь состоит из легированного мартенсита, карбидов и значительного количества остаточного аустенита (30-40 %), твердость 60-62 HRC. В ходе трехкратного отпуска остаточный аустенит почти полностью переходит в мартенсит, из твердого раствора выделяются вторичные карбиды. Сталь приобретает структуру отпущенного мартенсита с мелкими частицами вторичных карбидов. Если сразу после закалки провести обработку холодом, то отпуск можно сделать однократный.

г) Твердые сплавы относятся к металлокерамическим материалам. Их получают спеканием при 1400-1500 °C порошков карбидов с кобальтовой связкой. Кобальт плавится и растворяет поверхностный слой карбидов. Получается плотный материал, на 80-85 % состоящий из очень твердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала.

Из твердых сплавов изготавливают пластины для оснастки режущего инструмента. Их твердость составляет 85-92 HRA, они имеют высокую износостойкость и красностойкость до 1000 °C. Отрицательным моментом является их высокая хрупкость и то, что из них трудно изготовить фасонные изделия.

Твердые сплавы подразделяются на три группы:

вольфрамовые содержат только карбид WC. Марки: ВК6, ВК8, ВК25 (цифры означают долю кобальта в %). Применяются для обработки цветных сплавов, чугунов, керамики, а также для изготовления волочильного и бурового инструмента;

титано-вольфрамовые сплавы Т30К4, Т15К6 (цифрами обозначены доля карбида титана TiC и кобальта в %) - более теплостойкие, их применяют для высокоскоростного резания сталей;

титано-танталовольфрамовые сплавы ТТ8К6 (цифры - суммарная доля TiC и TaC и кобальта в %) более прочные, они работают в самых тяжелых условиях (черновая обработка стальных слитков, отливок, поковок, жаропрочных сплавов).

д) Сверхтвердые материалы - это природные и синтетические алмазы, а также искусственно созданные материалы с решеткой, подобной алмазу.

Алмаз - самый твердый материал (100 000 HV, а у карбида вольфрама - всего 17 000 HV). Его теплостойкость невелика - до 800 °C, но за счет большой теплопроводности разогрев режущей кромки снижается. У алмаза высокая адгезия к железу, поэтому им лучше обрабатывать цветные металлы, пластмассу, керамику для получения высокого качества поверхности.

Различные модификации поликристаллического нитрида бора (КНБ) имеют решетку, подобную алмазу, и твердость 90 000 HV. Получают его спеканием микропорошков нитрида бора при высокой температуре и давлении. Теплостойкость этого материала до 1200 °C, окисляться он начинает только при 2000 °C, химически инертен. Применяют для резания труднообрабатываемых сталей, в том числе закаленных и цементованных, с твердостью свыше 60 HRC. Токарная обработка таким инструментом заменяет шлифование.

КНБ имеет множество технических названий: эльбор, боразон, белбор, гексанит-Р.

2) Стали для измерительных инструментов.

Требования к этим сталям: высокая износостойкость, постоянство размеров весь срок эксплуатации, малая шероховатость, малая деформация при термообработке.

Применяются низколегированные стали марок Х, ХГ, ХВГ, 9ХС.

Закалка проводится с более низких температур, чем для режущего инструмента, чтобы уменьшить количество остаточного аустенита. Для его устранения проводится также обработка холодом. Отпуск низкий (120-140 °C) и очень длительный - от 24 до 48 часов, для получения наиболее стабильной структуры. Твёрдость стали после термообработки 60-64 HRC.

3) Стали для инструментов холодной обработки давлением.

Требования: высокая твердость, износостойкость, прочность, удовлетворительная вязкость.

Для вытяжных и высадочных штампов, с твердостью 58-61 HRC и 52-54 HRC соответственно, применяют низколегированные стали марок Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ.

Крупные и сложные штампы - вырубные, обрезные, чеканочные - делают из сталей Х12, Х12М, Х12Ф1.

Штампы с тонкой гравюрой, резьбонакатные ролики изготавливают из стали Х6ВФ, так как у нее меньше карбидная неоднородность и выше прочность, чем у высокохромистых сталей.

Инструмент, работающий с ударными нагрузками, например, зубила, делают из среднеуглеродистых сталей 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С.

3) Стали для инструментов горячей обработки давлением.

Условия работы этих инструментов: ударные нагрузки, постоянно чередующиеся нагрев и охлаждение. Отсюда вытекают требования к материалу: прочность, износостойкость, вязкость, хорошая прокаливаемость, в то же время достаточная теплостойкость и устойчивость к образованию окалины и сетки разгарных трещин.

При таком комплексе требований содержание углерода не должно превышать 0,6 %, чтобы не снижать вязкость. Для крупных молотовых штампов применяется сталь 5ХНМ. Ее структура после термообработки - троостит отпуска.

Марки 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС и другие комплексно-легированные стали применяют в условиях высоких давлений с резкой сменой температур: для штампов горячей высадки, протяжных, инструмента для прессования, пресс-форм литья под давлением.

Лекция 15

Цветные металлы и сплавы

Именно с цветных металлов началось применение металлов человеком. Вначале это были самородные металлы: медь, золото, серебро, затем олово и свинец.

Характерные особенности цветных металлов:

· окраска,

· большая пластичность,

· низкая твердость,

· низкая температура плавления,

· отсутствие полиморфных превращений.

Общепринято подразделение цветных металлов на следующие группы:

Благородные Легкие Легкоплавкие Тугоплавкие

Pt, Ag, Au, [Cu] Be, Mg, Al, [Ti] Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg W, Mo, Ta, Nb, Zr

Благородными, или драгоценными называют металлы, очень трудно поддающиеся окислению, при обычных условиях не вступающие в химические реакции. «Драгоценные» - относительное понятие: еще в XIX в. платина, месторождения которой имеются на Урале, вовсе не считалась драгоценным металлом, в отличие от золота: из нее делали ковши, обручи и другие хозяйственные изделия.

Легкие металлы имеют малый удельный вес и, соответственно, высокую удельную прочность.

Легкоплавкие металлы имеют низкие температуры плавления, применяются обычно для литых изделий. Самый легкоплавкий металл - ртуть (tпл = -39 °C, при комнатной температуре является жидкостью).

Тугоплавкие металлы имеют температуры плавления выше, чем у железа. Самый тугоплавкий металл - вольфрам (tпл = 3410 °C). Надо заметить, что не все ученые-металловеды относят тугоплавкие металлы к цветным, некоторые считают их черными или выделяют в отдельную группу.

Алюминий и его сплавы

Алюминий относится к легким металлам: г = 2,7 г/см3. tпл = 660 °C. Достоинствами алюминия являются малая плотность, высокая электропроводимость, большая удельная прочность. Например, сплав алюминия В96 имеет предел прочности ув = 700 МПа и удельную прочность ув/г = 23 км. (Для стали эта характеристика не превышает 15 км.)

По объему производства алюминий и его сплавы занимают второе место в мире после железа.

Полезные свойства технического алюминия применяется в следующих областях:

1) высокая пластичность - для получения тонких фольг (упаковка, обкладки конденсаторов, декоративное применение);

2) высокая электропроводимость (65 % от проводимости меди) - в электротехнике (линии электропередач, жилы кабелей);

3) высокая коррозионная стойкость (пленка оксида Al2O3 толщиной
10 мкм защищает поверхность металла) - в быту, для хранения продуктов питания, агрессивных жидкостей;

4) высокая отражательная способность - для изготовления прожекторов, рефлекторов, экранов ТВ;

5) высокая теплопроводность - для изготовления теплообменников в холодильниках.

Примеры изделий: трубопроводы, палубные надстройки судов, провода, кабели, шины, рамы, стеллажи, стойки, офисная мебель, цистерны (молочные и др.).



Сплавы алюминия подразделяют на литейные и деформируемые, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Алюминий с большинством легирующих элементов образует химические соединения и ограниченные твердые растворы. Обобщенная диаграмма состояния алюминий - легирующий элемент позволяет подразделить сплавы следующим образом:

Д - деформируемые сплавы,

Л - литейные сплавы,

Н - не упрочняемые термообработкой сплавы,

У - упрочняемые термообработкой сплавы.

1. Деформируемые сплавы алюминия, не упрочняемые термической обработкой.

Это сплавы с магнием и марганцем. Марки обозначаются АМг и АМц. Применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой, т.е. штампосварных конструкций. Сварка производится неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне или электроконтактная. Пластичные, коррозионно-стойкие. Упрочняются за счет наклепа. Способны к структурному упрочнению (пресс-эффект: выделение мелких интерметаллидных частиц при обработке давлением).

Примеры изделий: сварные емкости, трубопроводы бензина и масла, рамы, кузова, корпуса и мачты судов.

2. Деформируемые сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой.

Это, прежде всего, самые распространенные алюминиевые сплавы - дуралюмины. Слово «дуралюмин» в переводе с французского означает «твердый алюминий». Обозначаются дуралюмины буквой «Д» и порядковым номером марки. Кроме того, в эту группу входят ковочные алюминиевые сплавы (обозначение АК), авиали (АВ), высокопрочные алюминиевые сплавы (В).

Марки дуралюминов: Д1 - нормальный, Д16 - «супердуралюмин», Д18 - заклепочный. Все они содержат медь (около 4 %), магний и марганец.

Медь - главный легирующий элемент, поэтому превращения в сплавах можно рассмотреть на примере диаграммы состояния Cu - Al:

Фазы, равновесные при комнатной температуре: б-твердый раствор меди в алюминии, CuAl2 - химическое соединение, интерметаллид. Эвтектика состоит из этих двух фаз: Э = б + CuAl2.

Линия ab - линия предельной растворимости меди в кристаллической решетке алюминия. Сплавы под этой кривой (от 0,2 до 5,7 % Cu) могут упрочняться термообработкой: закалкой и старением. Но механизм упрочнения здесь иной, чем у сталей, закаливаемых на мартенсит.

В отожженном сплаве частицы CuAl2 довольно крупные; сплав мягок и пластичен.

При нагреве под закалку (выше линии ab) частицы CuAl2 растворяются, атомы меди (и других легирующих элементов) образуют твердый раствор замещения в решетке алюминия.

При быстром охлаждении, подавляющем диффузию (в холодной воде), твердый раствор сохраняется, но при комнатной температуре он становится пересыщенным (б). Его твердость и прочность невелики, всего на 25 % выше, чем у отожженного сплава, так как это - твердый раствор замещения.

С течением времени при комнатной температуре происходит естественное старение: в пересыщенном твердом растворе появляются участки, обогащенные медью. Вокруг них кристаллическая решетка искажается, что затрудняет перемещение дислокаций. Сплав становится прочнее. Естественное старение идет 5-7 суток.

При нагреве такой процесс идет быстрее. Это - искусственное старение. Чем выше температура искусственного старения, тем быстрее идет распад твердого раствора. В участках, обогащенных медью, формируются частицы CuAl2. При повышении температуры и увеличении выдержки зернышки CuAl2 растут. Расстояние между ними увеличивается, и эффект упрочнения снижается, так как , где R - расстояние между частицами.

На самом деле процессы при старении дуралюмина развиваются в несколько этапов. Вначале образуются только обогащенные медью и магнием участки в твердом растворе. Их называют зонами Гинье-Престона (ГП) по именам ученых, открывших это явление. Они представляют собой диски диаметром 4-6 нм и толщиной несколько атомных слоев (зоны ГП-1). При естественном старении этим все и заканчивается. Но при повышенной температуре или длительной выдержке эти зоны растут, и размещение атомов в них становится упорядоченным (зоны ГП-2). Более высокие температуры приводят к образованию на месте этих зон тонких пластин промежуточной фазы и состава CuAl2, но с другим типом кристаллической решетки. Наконец, при 200-250 °C образуется стабильная и-фаза CuAl2:

Вид старения	t, °C	Изменения в структуре	Изменение свойств
Естественное и низкотемпературное искусственное старение	?100-150	Зоны ГП1	^ ут; ут/ув?0,7; ^ д, KCU, коррозионная стойкость
Длительное искусственное старение	100-150	Зоны ГП2
Искусственное старение	150-200	и-фаза	ут/ув до 0,95; vд, KCU, коррозионная стойкость
Искусственное старение	200-250	и-фаза

Такие же процессы идут и в других сплавах на основе алюминия. Разница только в составе и строении образующихся фаз.

Итак, упрочняющая термообработка дуралюмина: закалка с 500-510 °C, естественное старение 5-7 суток или искусственное старение (для сплавов, работающих при повышенной температуре).

Изменения микроструктуры в ходе термической обработки:

Отжиг Закалка Старение

В результате закалки и естественного старения дуралюмин Д16 приобретает прочность ув = 540 МПа, что превышает прочность некоторых сталей обыкновенного качества.

Сплав авиаль (АВ) - менее прочный, чем дуралюмин, но более пластичный (содержит ?0,5 % Cu и Si).

Ковочные алюминиевые сплавы (АК) содержат те же компоненты, что и дуралюмин, и, кроме того, кремний. Детали получают ковкой или штамповкой при 450-475 °C, затем следует закалка и искусственное старение. Применяют для изготовления деталей сложной формы.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) после термической обработки имеют ув = 600-700 МПа; предел текучести почти равен пределу прочности. Это сплавы системы Al - Zn - Mg - Cu, иногда с добавлением Cr или Zr. Для повышения коррозионной стойкости листы плакируют чистым алюминием с добавкой 1 % Zn.

Все алюминиевые сплавы этой группы - авиационные. Из них делают лопасти винтов, шпангоуты, тяги управления, обшивку самолетов, стрингеры, лонжероны.

Литейные алюминиевые сплавы

Маркируются буквами АЛ. Цифра после букв означает номер марки. Содержат кремний, медь или магний.

Силумины - сплавы алюминия с кремнием - имеют наилучшие литейные свойства. Для измельчения зерна их модифицируют натрием (смесью солей NaCl + NaF).

Некоторые литейные сплавы можно упрочнять термической обработкой. Для разных видов литья разработаны различные сплавы (например, специально для литья под давлением).

Применяют, в основном, для сложных тонкостенных отливок: деталей автомобильных двигателей (картеры и блоки цилиндров, корпуса компрессоров).

Жаропрочные алюминиевые сплавы

Работают до 300 °C (поршни, крыльчатки, детали компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов).

Состав сложный: содержат железо, никель, титан, цирконий. Могут быть как деформируемыми, так и литейными.

У некоторых сплавов температура рекристаллизации выше температур деформирования и закалки, т.е. полигонизованная структура сохраняется после формообразования и термообработки. Это дает структурное упрочнение на 30-40 % по сравнению с рекристаллизованными сплавами.

Ежегодно в мире производится около 20 млн. т алюминия. В России алюминий выпускает Красноярский, Волгоградский, Иркутский и другие алюминиевые заводы. В декабре 2006 г. в Абакане (Хакасия) сдан в эксплуатацию алюминиевый завод мощностью 300 тыс. т в год, первое подобное предприятие за последние 20 лет.

Лекция 16

Титан и его сплавы

Титан сложно отнести к какой-то одной разновидности цветных металлов. Он является тугоплавким (tпл = 1669 °C), в то же время его можно считать легким (г = 4,5 г/см3). Не будучи благородным металлом, он отлично сопротивляется коррозии в различных средах. Как и железо, титан испытывает полиморфное превращение: Ti c ГПУ решеткой при 882 °C превращается в Ti с ОЦК решеткой.

Титан широко распространен в земной коре: он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Но промышленное применение этого уникального металла началось только в 1950-х годах, в основном, для военных целей. Это объясняется сложностью извлечения титана из руд, многоступенчатым процессом очистки, что ведет к весьма высоким ценам на металл (примерно в 90 раз дороже железа).

Достоинствами титана являются:

· небольшая плотность,

· очень высокая удельная прочность (сплав ВТ15 имеет предел прочности ув = 1500 МПа и удельную прочность ув/г ? 30 км),

· высочайшая коррозионная стойкость (кроме концентрированных серной, азотной и плавиковой кислот),

· высокая ударная вязкость даже при отрицательных температурах (KCU = 1-1,6 МДж/м2 при температуре жидкого водорода -253 °C),

· способность сплавов упрочняться термической обработкой.

Недостатки титана, как конструкционного материала:

· высокая стоимость (бедные руды, сложный металлургический передел),

· активное взаимодействие с газами при высокой температуре,

· низкое значение модуля упругости E (примерно в 2 раза меньше, чем у железа).

· плохая обрабатываемость по сравнению со сталью.

Тем не менее, технология получения изделий из титановых сплавов литьем, обработкой давлением и резанием, сварка титана непрерывно развиваются и совершенствуются.

Основные легирующие элементы в титановых сплавах: Al, V, Mo, Cr, Zr, Mn. Алюминий в титановых сплавах играет такую же важную роль, как углерод в стали. Легирующие элементы могут стабилизировать низкотемпературную б-фазу или высокотемпературную фазу в. Растворимость компонентов в титане с изменением температуры меняется, поэтому возможна упрочняющая термообработка (для разных сплавов это либо закалка и отпуск, либо закалка и старение).

При медленном охлаждении превращение Tiб > Tiв идет за счет диффузии - путем зарождения центров новой фазы и их роста. При быстром - развивается сдвиговой механизм, как при мартенситном превращении в стали. Получаемая структура тоже называется мартенситом и имеет игольчатую структуру. Но титановый мартенсит не обладает такой высокой твердостью и прочностью, как мартенсит в стали. Он имеет довольно высокую пластичность. Дело в разной природе твердых растворов: углерод образует с железом раствор внедрения, а алюминий с титаном - замещения.

Возможно также сохранение при комнатной температуре переохлажденной в-фазы (подобно аустениту в сталях). В некоторых сплавах образуется эвтектоид, но он хрупок и не улучшает механических свойств сплава.

Марки титановых сплавов: ВТ4, ВТ6, ВТ15, ВТ22 (один из самых прочных: ув = 1300-1600 МПа).

Области применения сплавов титана:

1) авиа и ракетостроение (обшивка сверхзвуковых самолетов, корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски и лопатки компрессора авиационного двигателя, детали фюзеляжа, крепеж, корпуса второй и третьей ступеней ракет);

2) химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили, баллоны для сжиженных газов и агрессивных жидкостей);

3) судостроение (гребные винты, обшивка морских судов и подводных лодок);

4) оборудование для обработки ядерного топлива;

5) криогенная техника (работающая при очень низких температурах).

Медь и ее сплавы

Медь - тяжелый металл (г = 8,9 г/см3) с ГЦК решеткой; полиморфных превращений не имеет. Температура плавления 1083 °C. Ее можно назвать «самым цветным» металлом: поверхность красная, излом розовый.

Чистая медь применяется чаще всего в электротехнике и электронике. Медь обладает высокой электропроводимостью, поэтому используется как проводник тока (шины, жилы кабелей, обмотки электродвигателей, контакты).

Высочайшая теплопроводность позволяет делать из меди водоохлаждаемые тигли, кристаллизаторы, поддоны, изложницы.

Медь проявляет коррозионную стойкость в атмосфере, морской, речной и водопроводной воде, в других агрессивных средах.

Технологические свойства меди не очень высоки: она очень пластична и легко обрабатывается давлением, но плохо - резанием, литейные свойства низкие (дает большую усадку), плохо сваривается, но зато хорошо паяется.

Прочность меди низкая: от 160 МПа в литом состоянии до 240 после горячей деформации. Но проволока при волочении может наклепываться до
450 МПа.

Медь поставляется в виде проката: листов, прутков, труб, проволоки.

Медные сплавы - это твердые растворы на основе меди. Они и прочнее, и пластичнее чистой меди. Прочность медных сплавов равна прочности низкоуглеродистой стали в отожженном состоянии (450 и 500 МПа соответственно).

Все медные сплавы подразделяются на две группы: латуни и бронзы.

1. Латуни - сплавы меди с цинком. Если кроме цинка других легирующих элементов нет, то это простая латунь; если есть и другие добавки - специальная.

Цинк растворяется в меди до 39 %, образуя фазу б - твердый раствор замещения. При добавлении свыше 39 % Zn образуется в-фаза CuZn с ОЦК решеткой (упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения). При этом повышается прочность, но пластичность резко снижается:

Применяют латуни с содержанием цинка не более 45 %, так как при большей концентрации структура состоит из одной только хрупкой в-фазы.

Однофазные, или б-латуни пластичны; изделия из них получают холодным деформированием. Это всевозможные детали, получаемые листовой штамповкой, а также про-волока, ленты, радиаторные трубки, гильзы патронов, электротехнические детали.

Двухфазные, или (б+в)-латуни прочнее и тверже, но менее пластичны; изделия получают литьем или горячей пластической деформацией. Это различные литые и штампованные заготовки, которые затем обрабатываются резанием (паровая и водяная арматура).

Маркировка латуни включает содержание меди, а не легирующего элемента (цинка), как у большинства сплавов:

Л96 (96 % Cu), Л80, ЛАН59-3-2 (59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni, остальное -цинк).

Латуни с содержанием цинка до 10 % называются томпак, до 20 % - полутомпак. Это пластичные сплавы красивого золотистого цвета, используются для художественных и ювелирных изделий.

ЛК80-3Л - литейная латунь с максимальной жидкотекучестью (3 % Si).

ЛО70-1 - «морская латунь», стойкая к коррозии в морской воде (1 % Sn).

Добавки никеля и железа повышают прочность латуни до 550 МПа.

Латунь сохраняет пластичность и вязкость при отрицательных температурах.

2. Бронзы - сплавы меди с любыми элементами, кроме цинка. Классические бронзы - оловянистые (до 10 % Sn). Они дороги. Сложные по составу бронзы дешевле. Например, антифрикционная бронза БрОЦС4-4-2,5 (4 % Sn, 4 % Zn, 2,5 % Pb).

Строение сплавов меди с оловом сложное: твердые растворы, интерметаллиды, имеется эвтектоидное превращение.

По технологии получения изделий бронзы подразделяют на литейные (для антифрикционных деталей и пароводяной арматуры) и деформируемые, однофазные (для упругих элементов - мембран, пружин).

Алюминиевые бронзы (9-10 % Al) применяют для мелких ответственных деталей (шестерен, втулок, фланцев, а также медалей и монет).

Кремнистые бронзы (3-4 % Si) - заменители оловянных, имеют высокие упругие свойства. Из них делают пружины.

Свинцовые бронзы - антифрикционные, для вкладышей подшипников скольжения.

Бериллиевая бронза БрБ2 имеет очень высокую упругость и предел прочности ув = 1100-1200 МПа. Применяют для часовых и приборных пружин, упругих контактов.

Интересно старинное подразделение бронз в зависимости от содержания олова:

БрО5 - монетная бронза, из нее чеканили монеты и медали;

БрО20 - пушечная бронза для стволов артиллерийских орудий;

БрО30 - колокольная бронза;

БрО40 - зеркальная бронза.

Лекция 17

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ограничения в применении металлов

Металлические конструкционные материалы прочны и надежны в эксплуатации, технологичны и во многих случаях экономически эффективны. Но металлы обладают, тем не менее, рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение.

Во-первых, многие металлы и сплавы подвержены коррозии в агрессивных средах. Высокая тепло- и электропроводимость металлов тоже не всегда является достоинством, так как необходимы и теплоизолирующие, и электроизолирующие материалы. Металлические материалы не всегда обеспечивают необходимую твердость и износостойкость в условиях трения. Во многих случаях недостаточной оказывается жаропрочность и жаростойкость металлов. Наиболее прочные металлические материалы имеют большую плотность, т. е. не позволяют получить высокую удельную прочность, необходимую для авиа- и космической техники. Наконец, технологическая цепочка от добычи руды до готового металлического изделия очень длинна по времени, включает огромное число операций и является весьма трудоемкой.

Поэтому во многих случаях применяют неметаллические материалы. Их обычно подразделяют на полимеры (пластмассы), керамики и стекла, о чем говорилось на первой лекции.

Полимеры, или пластмассы

Пластмассы - искусственные твердые материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Имеют большую молекулярную массу (свыше 10 000).

Состав пластмасс

1) Связующее - обязательный компонент. Это синтетические смолы или эфиры. Простые пластмассы (органическое стекло, полиэтилен, полипропилен) состоят почти из одного связующего.

2) Наполнители. Их содержание может доходить до 70 %. Могут быть порошковыми (сажа, графит, тальк, древесная мука), волокнистыми (хлопковые, стеклянные, асбестовые волокна), листовыми (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители повышают механическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нужные эксплуатационные свойства.

3) Стабилизаторы. Они нужны, чтобы макромолекулы полимеров не изменяли свою пространственную структуру, и свойства пластмасс с течением времени не менялись.

4) Пластификаторы. Их добавляют в количестве до 20 %. Они улучшают формуемость пластмасс, снижают хрупкость. Это обычно олеиновая кислота, стеарин, дибутилметафталат.

5) Отвердители. Их добавляют в пластмассы на основе термореактивных смол в качестве катализаторов отверждения. Это органические перекиси.

6) Специальные добавки - красители, смазки, антистатики, добавки против горения, против плесени и др.

Свойства пластмасс

Достоинствами пластмасс по сравнению с другими конструкционными материалами являются:

· малая плотность;

· высокая удельная прочность ув/г;

· химическая стойкость;

· электроизоляционные свойства;

· теплоизоляционные свойства;

· меньшая трудоемкость переработки пластмасс по сравнению с переработкой металлов: изделие и материал создаются одновременно;

· меньшее количество отходов, чем при переработке металлов (коэффициент полезного использования материала не менее 0,9);

· как правило, не нужны отделочные операции.

При замене металлических деталей пластмассовыми масса снижается в 4-5 раз, трудоемкость уменьшается тоже в 4-5 раз, число операций уменьшается в 5-6 раз. Себестоимость снижается в 2-3 раза.

Основные недостатки пластмасс:

· ограниченная теплостойкость: максимальная температура эксплуатации термопластов - 250 С (фторопласт-4), а термореактивных пластмасс - около 400 С (стеклотекстолит);

· малая жесткость и вязкость;

· склонность к старению, т.е. к изменению свойств с течением времени.

Структура полимеров

Структурной единицей в полимерах является макромолекула, состоящая из огромного числа одинаковых групп атомов - звеньев. Каждое звено - это измененная молекула исходного низкомолекулярного вещества - мономера. В полимере молекулы мономера объединяются друг с другом и образуют длинные цепочки, в которых атомы соединены ковалентными связями.

К примеру, полимер полиэтилен (-CH2-CH2-)n, макромолекулы которого состоят из звеньев CH2, получают полимеризацией n-го числа молекул мономера - газа этилена CH2=CH2. Число n составляет тысячи.

На схематичных изображениях макромолекул ковалентная связь показывается черточкой: «-».

Схематичные изображения макромолекул полиэтилена и поливинилхлорида:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение макромолекул:

а - линейное; б - разветвленное; в - лестничное;

г - трехмерное или сетчатое

Свойства полимеров определяются не только химическим составом, но и строением и взаимным расположением молекул.

Линейные макромолекулы - это цепочки с отношением длины к поперечному размеру свыше 1000. Они могут образовывать зигзаги, спирали или перепутываться. Между макромолекулами действует слабая межмолекулярная связь, обусловленная силами Ван-дер-Ваальса. Такую форму имеют молекулы термопластов.

У полимеров с разветвленным строением силы притяжения между макромолекулами слабее, полимеры менее прочны. Они более плавкие, рыхлые.

В полимерах с лестничным строением имеются ковалентные связи между молекулами. Они прочные, неплавкие, нерастворимые (могут только размягчаться и набухать).

В полимерах с сетчатым строением все линейные участки связаны поперечными ковалентными связями. Все изделие представляет собой гигантскую пространственную молекулу. Такие полимеры хрупкие, стойкие к нагреву и растворителям (не размягчаются, не набухают). Это - термореактивные полимеры.

Схематично строение линейной макромолекулы можно показать следующим образом:

Энергия ковалентной связи между атомами в главной цепи велика:

Eсвязи = 350 КДж/моль.

А энергия межмолекулярной связи примерно в 30 раз меньше. Поэтому макромолекулы сравнительно легко могут быть сдвинуты друг относительно друга. Кроме того, макромолекула - гибкая структурная единица: сегменты могут вращаться друг относительно друга, сохраняя валентный угол б. В этом причина нестабильности свойств полимеров: огромные гибкие макромолекулы не могут сохранять раз навсегда заданное пространственное положение.



В полимерах могут возникать надмолекулярные структуры, т. е. участки упорядоченного расположения макромолекул. Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул. Это уменьшает суммарную внутреннюю энергию системы.

Один вариант упорядоченной укладки - образование пачечных структур. Пачки представляют собой последовательное расположение макромолекул друг за другом. Пачки перемещаются как единое целое, но при нагреве и напряжениях нестабильны.

Более сложные и устойчивые упорядоченные участки называются кристаллами. Вначале макромолекулы «складываются» в ленты за счет многократного поворота сегментов на 180°. Ленты соединяются в пластины, которые наслаиваются и образуют кристаллы. В объеме полимера происходит чередование аморфных и кристаллических областей. Стопроцентной кристаллизации полимер никогда не достигает. Кристаллические полимеры прочнее при нагрузке и нагреве.

Кристалл Сферолит Фибриллы

Разные формы кристаллов

Поведение полимеров при нагреве

Чтобы показать зависимость величины деформации е от температуры, строят термомеханические кривые (при постоянном напряжении и скорости нагрева):

На кривой а показано поведение при нагреве аморфного термопластичного полимера. При низких температурах полимер находится в стеклообразном состоянии (область I) и ведет себя как упругое твердое тело. Затем нагрев переводит его в высокоэластичное состояние (область II). Деформация полимера может достигать здесь сотен процентов (800 % у резин), но она обратима. При дальнейшем нагреве наступает вязко-текучее состояние; полимер ведет себя как вязкая жидкость (область III). Деформация необратима. Это область переработки пластмасс в изделия. Выше температуры термического разложения полимера tразр разрываются ковалентные связи в макромолекулах, выделяются низкомолекулярные соединения, и полимер разрушается. Однако при охлаждении у термопластов происходит полимеризация, структура и свойства полимера восстанавливаются.

Кривая б показывает поведение термопластичного полимера, способного кристаллизоваться. Ниже температуры кристаллизации tкр полимер имеет упорядоченную структуру, выше - переходит в аморфное состояние. Так как на разрушение кристаллической структуры необходимо затратить энергию, кристаллический полимер становится высокоэластичным при более высокой температуре, чем аморфный.

На кривой в показано поведение при нагреве термореактивного полимера. Он способен только на небольшую деформацию в упругой области, а затем, при нагреве выше tразр, необратимо разрушается. При охлаждении полимеризации не происходит, свойства не восстанавливаются.

Область рабочих температур полимера - ниже температуры стеклования tст, хотя кратковременно он может работать и немного выше этой температуры. Но надо учитывать, что ниже температуры хрупкости tхр полимер хрупко разрушается (для начала деформации здесь нужно напряжение, превышающее предел прочности). Таким образом, полимер надежно работает под нагрузкой в интервале температур от tхр до tст. Чем этот интервал шире, тем лучше.

Надо представлять, что температуры переходов полимера из одного состояния в другое (tст и tтек - температура текучести) не являются константами. Они зависят от условий нагружения. Чем больше скорость деформирования, тем выше эти температуры. В этом отличие от фазовых переходов в сплавах.

Поведение полимеров при нагружении (диаграммы растяжения)

Аморфный линейный полимер в стеклообразном состоянии способен на довольно большую упругую деформацию - до 20 % (область I на графике а). Модуль упругости E (tg б) у полимеров намного меньше, чем у металлов. Высокоэластическая деформация может составлять сотни процентов (область II). Она происходит за счет разгибания свернутых макромолекул. При дальнейшем увеличении нагрузки начинается смещение макромолекул друг относительно друга. Это - вязко-текучее состояние (область III).

При механическом нагружении полимер проходит до разрушения те же стадии, что и при нагреве, только энергию для перехода в новое состояние он получает за счет работы деформирования, а не за счет подвода тепла.

Термореактивный полимер с сетчатой структурой способен испытывать только упругую деформацию, после чего наступает разрушение (график б). Такие полимеры имеют большую жесткость (E) и прочность (ув), чем термопласты.

Кристаллический полимер при температуре ниже tкр после равномерной упругой деформации (область I на графике в) образует местное сужение - «шейку», которая постепенно распространяется на весь образец. При этом идет изменение кристаллической структуры; деформация получается остаточная. Жесткость и прочность кристаллического полимера выше, чем у такого же полимера в аморфном состоянии.

Применение полимеров

Примеры применения пластмасс прочитать самостоятельно.

Надо заметить, что наиболее широко применяются не так уж много пластмасс из всего их разнообразия. Например, современный автомобиль имеет порядка 400 пластмассовых узлов и деталей. Но в основном они изготовлены из 5 полимерных материалов:

полиуретаны,

поливинилхлорид,

стеклопластики (наиболее прочные и жесткие, ув до950 МПа),

полипропилены,

АБС-пластики (акрилонитрильный сополимер с добавкой СКС - бутадиенстирольного каучука в виде дискретной фазы, повышающей ударную вязкость пластмассы примерно в 15 раз).

Лекция 18

Керамические материалы

Керамика - неорганические твердые материалы, получаемые высокотемпературным обжигом из отформованных минеральных масс. Можно сказать, что керамика - это все материалы, не являющиеся полимерами и металлами. В керамических материалах между атомами существует ковалентная или ионная связь.

Для получения керамики имеется огромное количество природных соединений; они составляют до 85 % земной коры. Только на долю кремния приходится около 40 %. В Томской области имеются собственные ресурсы для производства керамики: глинозем в Ачинске, Туганское месторождение циркониевых песков.

Современная техника использует более 7000 различных изделий из керамики: от ферритов, величиной с булавочную головку, и тонких пленок для сенсорных устройств до огромных изоляторов ЛЭП.

Структура керамики

Основа строительной, бытовой и художественной керамики - природные глины. Техническая керамика имеет более однородный состав, изготавливается из оксидов или безоксидных соединений.

При обжиге (1200-2500 С) одновременно формируются структура и свойства керамических материалов. Керамика всегда многофазна: она содержит кристаллическую, стекловидную и газовую фазы в различных пропорциях.



Кристаллическая фаза представляет собой химические соединения или твердые растворы. Она является основной и определяет прочность, жаропрочность и другие важнейшие свойства керамики.

Стекловидная, или аморфная фаза - это связка; ее количество может колебаться в широких пределах: от 1 до 40 %. Она снижает прочность и термостойкость, но облегчает технологию производства.

Газовая фаза находится в порах керамики. По доле пор в объеме материала керамика делится на пористую и плотную. В технике чаще используется плотная керамика. Но и она содержит определенную долю пор.

Свойства керамики

Достоинствами керамики являются:

· высокая твердость и износостойкость;

· высокие рабочие температуры (до 3500 С);

· высокая коррозионная стойкость в различных средах;

· низкая тепло- и электропроводимость: керамические материалы - диэлектрики и теплоизоляторы;

· малая плотность, легкие материалы.

Основной недостаток керамики:

· высокая хрупкость. Ударная вязкость керамики примерно в 40 раз меньше, чем у металлов. Это ограничивает ее применение в технике. Керамика имеет низкую прочность при растяжении и изгибе. Пластически не деформируется.

Высокие твердость и температуры плавления керамических материалов обусловлены большой энергией связи между атомами. Это ковалентные или ионные соединения. Сильная межатомная связь определяет высокое сопротивление деформации, поэтому специальной упрочняющей обработки для керамики не требуется.

Для повышения ударной вязкости керамики применяют различные способы. Прежде всего, в керамическом материале должно быть как можно меньше пор, являющихся зародышами трещин. На сегодняшний день разработаны следующие основные способы увеличения вязкости керамики:

· легирование или модифицирование,

· упрочнение дисперсными частицами,

· упрочнение нитевидными кристаллами более прочной керамики,

· «затупление» трещины за счет создания множества микротрещин: тогда магистральная трещина не развивается.

Над решением актуальной проблемы - повышением трещиностойкости (вязкости) керамики - работают ученые-материаловеды во всем мире, в том числе и ученые Томского Института физики прочности и материаловедения.

Классификация и применение керамики

Техническую керамику можно подразделить на 3 группы: оксидную, безоксидную (бескислородную) и металлокерамику.

1) Оксидную керамику получают из оксидов различных элементов: Al, Mg, Zr, Si, Be, U. Она состоит в основном из кристаллической фазы и пор. Стекловидная фаза появляется только за счет примесей.

Оксидная керамика твердая, огнеупорная, химически стойкая в кислотах, щелочах, на воздухе. Рабочие температуры составляют 0,8-0,9 от температур плавления (от 2000 до 3300 С). Но резких изменений температуры она не выдерживает.

Пористая керамика этой группы применяется как теплоизоляционный материал и огнеупорная футеровка камер сгорания, металлургических печей и ковшей (динасовый, магнезитовый, шамотный кирпич). Вспененная керамическая теплоизоляция «Бурана» имела всего 5 % материала и 95 % пор, заполненных инертным газом. Из пористой керамики делают также фильтры для различных жидкостей (воды, вина, масла).

Керамику на основе оксида алюминия Al2O3 называют корундовой. Она применяется очень широко:

· обтекатели радиолокационных антенн,

· подшипники печных рольгангов,

· вводы и поддерживающие устройства для нагревателей термических печей,

· электроизоляторы,

· сопла аргоно-дуговых горелок, форсунок для закачки воды в скважину (давление 150 атм), пескоструйных и дробеструйных установок,

· фильеры для волочения проволоки,

· нитеводители в текстильной промышленности,

· режущий инструмент,

· распределители и шайбы в бытовой сантехнике,

· торцевые уплотнители для насосов.

Керамика на основе оксида циркония ZrO2 имеет очень важную особенность. ZrO2 испытывает 3 полиморфных превращения при нагреве: моноклинная решетка превращается в тетрагональную, а затем в кубическую. Тетрагональную решетку можно сохранить при низких температурах с помощью модифицирования. Тогда фазовое превращение начинается за счет приложенного напряжения. Такая модифицированная керамика имеет прочность 3000 МПа при критерии трещиностойкости K1C = 20-25 (у обычной керамики - не более 4). Из ZrO2 делают твердооксидные топливные ячейки (для выработки электроэнергии), датчики содержания кислорода в расплаве стали.

2) Бескислородная (безоксидная) керамика - это карбиды MexCy, нитриды MexNy, бориды MexBy и т. п. Это тугоплавкие соединения, их огнеупорность достигает 3500 С. Твердость приближается к твердости алмаза. Они обладают высокой износостойкостью и жаростойкостью.

Карборунд SiC - твердый, химически стойкий, легкий, жаростойкий материал. Из него делают нагреватели печей, чехлы термопар, лопатки газовых турбин, детали ДВС, шлифовальные круги, защитные покрытия на графите.

Нитрид кремния Si3N4 стоек в расплавленных металлах и шлаках. Применяется для деталей газовых турбин, жаростойких инструментов, тиглей, кристаллизаторов, деталей насосов для перекачки расплавленного алюминия и меди.

3) Керамико-металлические материалы, или керметы, получают путем перемешивания порошков тугоплавкого керамического соединения и металла. Затем смесь порошков прессуется и спекается. Металл играет роль связки; он повышает пластичность и вязкость. При этом возрастает и уизг. В качестве связок используются кобальт, никель, железо, молибден. Керамическая составляющая может быть как оксидной, так и бескислородной.

Широко применяемые керамико-металлические материалы - это инструментальные твердые сплавы. Из них делают режущие пластины для фрез, сверл, зенкеров, резцов, а также штампы, волоки, бурильный инструмент. Они состоят из карбидов WC, TiC, TaC и кобальтовой связки. Применяются также материалы Cr7C3 - Ni, Al2O3 - Cr, BeO - W.

Неорганические стекла

Неорганические стекла - это сложные расплавы высокой вязкости, состоящие из основных и кислотных оксидов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного. Беспорядочная структура жидкости при охлаждении «замораживается». Получается неправильная пространственная сетка. Стекло имеет рыхлую неоднородную структуру с поверхностными дефектами.

В состав стекол входят:

· стеклообразующие оксиды SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, As2O5. Они образуют структурный каркас стекла, или сетку;

· модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария. Они изменяют физико-химические свойства стекломассы, облегчая технологию производства.

· оксиды для придания нужных характеристик. Это оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия. Сами они структурный каркас не образуют, но частично замещают стеклообразующие оксиды.

Классификация стекол

1) По назначению

Технические Строительные Бытовые

оптические, оконные посуда

светотехнические витринные зеркала

электротехнические армированные стеклотара

химико-лабораторные стеклоблоки

приборные

трубные

2) По стеклообразующему веществу

Силикатные (SiO2) Боросиликатные(B2O3-SiO2) Алюмофосфатные (Al2O3-P2O5)

Алюмосиликатные (Al2O3-SiO2) Алюмоборосиликатные(Al2O3- B2O3-SiO2)

3) По содержанию модификаторов

Щелочные Бесщелочные Кварцевые

Свойства стекол

Плавятся в интервале температур, размягчаются при температуре 600-800 С; переработка требует свыше 1000 С.

Свойства стекол изотропны, т. е. не зависят от направления.

При сжатии прочность высокая: до 2000 МПа, а при растяжении - низкая (менее 100 МПа). Твердость стекол составляет 0,5-0,7 твердости алмаза, но они очень хрупкие.

Несколько выше механические свойства у кварцевых и бесщелочных стекол.

Важнейшие свойства стекол, определяющие их применение, - оптические: прозрачность, отражение, рассеяние, поглощение, преломление. Обычное листовое стекло 90 % видимого света пропускает, а ультрафиолетовое излучение поглощает. Кварцевые стекла прозрачны для ультрафиолетовых лучей.

Стекла можно закаливать, нагревая выше температуры стеклования и быстро охлаждая в масле или потоке воздуха. Ударная вязкость стекла увеличивается при закалке в 5-7 раз, прочность - в 3-6 раз, повышается термостойкость.

...