Полимеры: строение, основные свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Полимеры: строение, основные свойства

1.1 Состав и строение полимеров

1.2 Основные свойства полимеров

2. Оценка коррозионной стойкости

2.1 Общие сведения о коррозии

2.2 Оценка коррозионной стойкости

2.2.1 Испытания на общую коррозию

2.2.2 Испытание на межкристаллитную коррозию

2.2.3 Испытание на коррозионное растрескивание

3. Основные методы исследования микроструктуры металла

3.1 Общая характеристика металлов

3.2 Основные методы исследования микроструктуры металла

3.2.1 Оптическая микроскопия

3.2.2 Электронная микроскопия

3.2.3 Автоионная микроскопия

4. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

4.1 Характеристика основных фаз в сплавах

4.2 Компоненты и фазы в сплавах с углеродом

Список использованной литературы

1. Полимеры: строение и основные свойства.

полимер коррозия металл сплав

1.1 Состав и строение полимеров

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Полимерами называют высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных маломолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Например, мономеры этилен С2Н4 или винилхлорид С2Н3Cl после разрыва двойных ковалентных связей создают цепь из мономерных звеньев (меров), то есть полимеры, которые называются соответственно полиэтилен и поливинилхлорид (см. рис. 1.1.).

Рис. 1.1 Схема полимеризации этилена и винилхлорида

Чаще всего для получения полимеров применяют следующие мономеры (см. рис. 1.2.):

Рис. 1.2 Мономеры

Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М? 5* 103). Соединения с меньшей молекулярной массой (М = 500 - 5000) называются олигомерами, у низкомолекулярных соединений М? 500. Это разделение по молекулярной массе условно.

Различают природные и синтетические полимеры. К полимерам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и так далее. Однако ведущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в результате химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

В зависимости от способа образования высокомолекулярных синтетических соединений различают полимеры, получаемые либо в процессе поликонденсации, либо в результате реакции присоединения.

Полимеризация - это процесс соединения маломолекулярных соединений в высокомолекулярные с образованием длинных цепей. Величиной степени полимеризации является количество меров в молекуле полимера. В большинстве полимеров их количество составляет от 1000 до

10000 единиц. В результате полимеризации получают такие часто применяемые полимеры, как полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полибутадиен и другие.

Поликонденсация - это ступенчатая реакция, заключающаяся в соединении большого количества одинаковых мономеров или двух различных групп (А и В) мономеров в макромолекулы (поликонденсаты) с одновременным образованием побочных продуктов (вода, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метиловый спирт и другого). В первом случае полимеры образуются по такой схеме:

nА - R - B > A - (R)n - B + (n - 1) АВ

Во втором случае полимеры образуются по другой схеме:

nА - R1 - A +nB - R2 - B> A - (R1 - R2)n - B + (2n - 1)AB

С помощью реакции поликонденсации получают полиамиды, полиэстеры, фенопласты, аминопласты, поликарбонаты, полисульфоны, силиконы и другие полимеры.

Полиприсоединение - процесс образования полимера в результате реакции множественного присоединения иономеров, содержащих предельные реакционные группы к мономерам, содержащим непредельные группы (двойные связи или активные циклы). В отличии от поликонденсации полиприсоединение протекает без выделения побочных продуктов.

К важнейшим реакциям полиприсоединения относится получение полиуретанов:

nO = С = N - R1 - N = C= O + nHO - R2 - OH >

>О = С = N + R1 - NH - C - O - R2 + n OH

и процесс отверждения эпоксидных смол:

4~СН2 - СН - СН2 + Н2N - R - NH2 >

эпоксидная смола отвердитель

СН2 - СН - СН2 - N - CH2 - CH - CH2

¦ ¦ ¦

> OH R OH

¦

СН2 - СН - СН2 - N - CH2 - CH - CH2

¦ ¦

OH OH

отверждённая эпоксидная смола

По составу все полимеры делятся на органические, элементо-органические и неорганические. Органические полимеры, составляющие наиболее обширную группу соединений, состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Элементоорганические соединения содержат в составе одной цепи, кроме перечисленных, атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, сочетающихся с другими радикалами. В природе таких соединений нет. Это чисто синтетические полимеры. Их характерными представителями являются кремний-органические соединения, основная цепь которых построена из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и другие) не содержат атомов углерода. Основой их являются оксиды кремния, алюминия, магния и другие.

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не сами полимеры, а их сочетания с другими материалами, как органического, так и неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и другие).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Различают следующие типы полимерных структур: линейную, линейно - разветвлённую, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями (см. рис. 1.3).

Рис. 1.3 Различные типы структур полимеров: а - линейная; б - линейно - разветвлённая; в - лестничная; г - пространственная сетчатая

Полимеры с линейной структурой представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (см. рис. 1.3, а). Их макромолекулы характеризуются повторениями вдоль цепи одной и той же структурной группы - звена или химической единицы цепи. Гибкость - основное свойство полимерных цепей, приводящее к качественно новым свойствам: высокой эластичности и отсутствию хрупкости в твёрдом состоянии. К типичным полимерам с линейной структурой относится полиэтилен.

Полимеры с линейно - разветвлённой структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления (см. рис. 1.3, б). К типичным полимерам с линейно - разветвлённой структурой относятся полиизобутилен и полипропилен.

Молекула полимера с лестничной структурой (см. рис. 1.3, в) состоит из двух цепей, соединённых химическими связями. Полимеры с лестничной структурой, к которым относятся, например, кремнийорганические полимеры, характеризуются повышенной термостойкостью, жёсткостью, они не растворимы в органических растворителях.

Полимеры с пространственной структурой (см. рис. 1.3, г) образуют при соединении макромолекул между собой в поперечном направлении прочные химические связи. В результате такого соединения макромолекул образуется сетчатая структура с различной густотой сетки или пространственная сетчатая структура.

Полимеры с пространственной структурой обладают большой жёсткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры с пространственной структурой являются основой конструкционных неметаллических материалов.

По фазовому составу полимеры представляют собой системы, состоящие из кристаллических и аморфных областей.

Кристаллические полимеры по своему строению похожи на обычные кристаллические твёрдые тела, но сложнее, поскольку наряду с кристаллической фазой имеют в объёме аморфную фазу с межфазными слоями.

Аморфные полимеры по строению близки к жидкостям. В них отсутствуют упорядоченные участки, в которых наблюдается ближний порядок в расположении молекул. Эти участки термодинамически неустойчивы, имеют флуктуационный характер, могут многократно разрушаться и возникать. Но и в аморфном состоянии полимер может быть весьма упорядоченным.

В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве, они делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают. При этом материал не претерпевает химических превращений, что делает процесс плавления - затвердевания обратимым. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полиамиды и другие. Изделия из термопластичных полимеров изготавливают литьём под давлением в водоохлаждаемые формы, прессованием, экструзией, выдуванием и другими способами.

Термореактивные полимеры сначала имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твёрдое вещество, сохраняя и в дальнейшем высокую твёрдость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся феноло-формальдегидная, кремнийорганическая, эпоксидная и другие смолы.

1.2 Основные свойства полимеров

Полимеры могут находится в твёрдом и жидком состояниях (газообразное состояние для них не характерно), кристаллическом и аморфном фазовых состояниях, а также в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем деформационных физических состояниях.

Они имеют высокую стойкость в таких средах, как щёлочи и концентрированные кислоты. В отличие от металлов не подвержены электрохимической коррозии. С увеличением молекулярной массы снижается растворимость полимеров в растворителях органического происхождения. Полимеры с пространственной структурой практически не подвержены действию органических растворителей.

Большинство полимеров является диэлектриками. Полимеры в основном относятся к немагнитным веществам. Из всех применяемых конструкционных материалов полимеры имеют наименьшую теплопроводность и наибольшие теплоёмкость и тепловую усадку. Тепловая усадка полимеров примерно в 10 - 20 раз больше чем у металлов.

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящих от их структуры. Кроме структурных параметров большое влияние на механические свойства полимеров оказывают внешние факторы: температура, длительность и частота или скорость нагружения, давление, вид напряжённого состояния, термообработка, характер окружающей среды и другое.

Особенностями механических свойств полимеров являются их удовлетворительная прочность, но малая жёсткость по сравнению с металлами.

Полимерные материалы подразделяются на твёрдые с коэффициентом упругости Е = 1 - 10 ГПа (пластмассы, волокна, пленки) и мягкие высокоэластичные материалы с модулем упругости Е = 10 МПа (резины).

Для полимеров характерна ярко выраженная анизотропия свойств, снижение прочности и развитие ползучести при длительном нагружении. Вместе с тем полимеры обладают высоким сопротивлением усталости. Для полимеров характерна более резко выраженная температурная зависимость механических свойств по сравнению с металлами.

Одной из основных характеристик полимеров является деформируемость. По деформируемости (или податливости) полимеров в широком температурном интервале чаще всего оценивают их основные технологические и эксплуатационные свойства.

Границы между этими физическими состояниями характеризуются значениями температур стеклования Тс и текучести Тф. Критические температуры Тс и Тф являются основными характеристиками полимеров.

Все полимеры в большей или меньшей степени подвержены процессу старения во времени. Старением полимеров называют самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.

Старению способствуют свет, частая смена циклов нагрев - охлаждение, воздействие кислорода, озона и другие факторы. При старении повышается твёрдость, хрупкость, теряется эластичность. При высоких температурах (200 - 250 0С) происходит термическая деструкция - разложение органических полимеров, сопровождающееся испарением летучих веществ.

Для замедления старения в полимерные материалы добавляют стабилизаторы. Обычно применяют стабилизаторы двух типов: термостабилизаторы (амины, фенолы) и светостабилизаторы (например сажу).

· гофрированного картона, гофропласта - на торцевое и плоскостное сжатие, расслаивание, продавливание и пробой;

· резины - на стойкость при статической деформации сжатия;

· древесностружечных плит - на прочность и модуль упругости при изгибе, удельное сопротивление выдёргиванию гвоздей и шурупов.

Полимеры (искусственные материалы) в соответствии с международным стандартом (ISO) обозначают условными символами, которые облегчают маркировку торговых изделий. Ниже в алфавитном порядке представлен ряд международных обозначений важнейших полимеров, применяемых в технике:

ABS	сополимер акрилонитрил-бутадиен - стирол	PP	полипропилен
AP	аминопласты	PPO	полиоксифенилен
CA	ацетат целлюлозы	PS	полистирол
CAB	ацетатобутират целлюлозы	PSO	полисульфон
EP	эпоксидная смола	PUR	полиуретан
FP	фенопласты (фенольные ма-териалы)	PVAC	поливилилацетат
PA	полиамиды	PCV	поливинилхлорид
PC	поликарбонаты	SAN	сополимер стирол - акрило- нитрил
PE	полиэтилен	SB	сополимер стирол - бутадиен
PTFE	политетрафторэтилен	SI	силиконы
PI	полиимиды	TS	искусственный материал
PMM	полиметилметакрилат	UP	ненасыщенные полиэстеры
POM	полиформальдегид, поли- оксиметилен

2. Оценка коррозионной стойкости

2.1 Общие сведения о коррозии

Коррозией (от латинского corrodere - разъедать, разрушать) называют разрушение материалов под воздействием окружающей среды в результате её химического или электрохимического воздействия.

Обычно рассматривают коррозию металлических материалов. Однако это явление характерно не только для металлов и сплавов, аналогичные процессы могут происходить и в неметаллических материалах - пластмассах, керамике. Примером такого коррозионного воздействия может служить износ футеровки плавильных печей под действием жидкого, химически активного шлака.

Ущерб, причиняемый коррозией, может быть прямым и косвенным. Прямой ущерб включает стоимость замены подвергшихся замене частей машин, трубопроводов, устройств. Для восстановления поражённых коррозией оборудования и конструкций ежегодно расходуется не менее 10% продукции мирового металлургического производства.

Косвенный ущерб от коррозии связан с простоем оборудования в результате аварий, ухудшением качества продукции, например в результате её загрязнения, увеличением расхода топлива, материалов, энергии.

В зависимости от свойств окружающей среды и характера её физико-химического воздействия на материал различают:

1) химическую коррозию, обусловленную воздействием сухих газов, а также жидкостей, не являющихся электролитами (нефть, бензин, фенол);

2) электрохимическую коррозию, обусловленную воздействием жидких электролитов: водных растворов солей, кислот, щелочей, влажного воздуха, грунтовых вод, то есть растворов, содержащих ионы и являющихся проводниками электричества.

2.2 Оценка коррозионной стойкости

Для характеристики коррозионных свойств материалов обычно проводят их испытание на стойкость против общей коррозии, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.

2.2.1 Испытания на общую коррозию

Испытания на общую коррозию проводят на образцах с большим отношением поверхности к объёму. Коррозионную среду выбирают с учётом условий эксплуатации материала. Испытания проводят в жидкости при постоянном или многократно повторяемом переменном нагружении образцов, в кипящем соляном растворе, в парах или окружающей атмосфере.

В России, США и Германии применяют пятибалльную систему оценки общей коррозии (см. табл. 2.1.). Критерием коррозионной стойкости является скорость коррозии (Vкор, мм/год).

Пятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов

Балл	Скорость коррозии Vкор, мм/год	Категория стойкости
1	Не более 0,10	Сильностойкие
2	0,10 - 1,00	Стойкие
3	1,10 - 3,00	Пониженностойкие
4	3,10 - 10,00	Малостойкие
5	Более 10,00	Нестойкие

Кроме глубины проникновения, оценку коррозионной стойкости можно производить по десятибалльной шкале потери массы образца за определённый период времени на единицу площади К, (г/м2 ч) (см. табл. 2.2.).

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов

Балл коррозионной стойкости	Категория стойкости	Потеря массы К, (г/м2 ч)
		Чёрные металлы	Медь и сплавы
1	Совершенно стойкие	< 0,0009	< 0,001
2	Весьма стойкие	0,0009 - 0,0045	0,001 - 0,0051
3	То же	(>0,0045) - 0,009	(>0,0051) - 0,01
4	Стойкие	0,009 - 0,045	0,01 - 0,051
5	То же	(>0,045) - 0,09	(>0,051) - 0,1
6	Пониженно стойкие	(>0,09) - 0,45	(>0,1) - 0,5
7	То же	(>0,45) - 0,9	(>0,5) - 1,02
8	Малостойкие	(>0,9) - 4,5	(>1,02) - 5,1
9	То же	(>4,5) - 9,1	(>5,1) - 10,2

Пересчёт обоих показателей производят по формуле:

Vкор = 8,76 К/г,

где Vкор - скорость коррозии, мм/год; г - плотность г/см3; К - скорость коррозии, г/(м2ч).

Для оценки коррозионной стойкости полимерных материалов применяют трёхбалльную шкалу по относительному изменению прочностных и деформационных свойств, а также изменению массы при воздействии среды (см. табл. 2.3.).

Трёхбалльная система оценок химической стойкости полимерных материалов

Тип пластмассы	Изменение механических показателей	Изменение массы (за 42 сут)
	Оценка стойкости	Изменение прочностных свойств, %	Изменение деформационных свойств, %	Оценка стойкости	Увеличение массы в %	Уменьш. массы в %
Термопласты	1 2 3	< 10 (>10) - 15 >15	< 10 (>10) - 20 >20	1 2 3	< 5 (>5) - 15 >15	< 3 (>3) - 20 >20
Реактопласты	1 2 3	< 15 (>15) - 25 >25	- - -	1 2 3	< 5 (>5) - 8 >8	< 5 (>5) - 8 >8

1.1.1. 2.2.2 Испытание на межкристаллитную коррозию

Основной причиной межкристаллитной коррозии коррозионностойких материалов является нагрев при обработке давлением или сварке, приводящий к электрохимической гетерогенности между приграничными участками и объёмом зёрен.

Для контроля склонности к МКК образцы либо изгибают на оправке на угол 900 , либо подвергают травлению специальными реактивами и металлографическому исследованию. Отсутствие трещин на поверхности образца свидетельствует о его стойкости к МКК.

На рис. 2.1 приведены микроструктуры стали 08Х18Н10 после испытаний на межкристаллитную коррозию в разных средах.

Рис. 2.1 Микроструктура стали 08Х18Н10 после закалки с 1050 0С в воде и отпуска при 700 0С а - межкристаллитная коррозия при испытании в растворе 25% - й HNO3 + 40 г/л Cr64, время 200 ч.; б - то же в растворе кипящей 65% - й HNO3 + Cr64, время 500

2.2.3 Испытание на коррозионное растрескивание

Этот вид испытаний проводят при нагружении образца в коррозионной среде, соответствующей служебным условиям эксплуатации детали. Среда не должна вызывать общей коррозии и оказывать воздействие на ненагруженные образцы металла. Для аустенитных хромоникелевых сталей примером такой среды может служить кипящий раствор смеси солей MgCl2, NaCl и NaNO3 . Агрессивность сред должна быть не меньше той, в которой должны служить испытуемые материалы.

Испытания на коррозионное растрескивание могут проводится либо в условиях, вызывающих разрушение материалов (испытания на растяжение, на вязкость разрушения и усталость), либо путём определения времени появления первой трещины. Последний вид испытаний состоит в фиксации нагруженных образцов в специальных приспособлениях или с помощью создания напряжения в разрезанных кольцах (см. рис. 2.3.). Время до появления трещин характеризует стойкость материалов против коррозионного растрескивания.

Рис. 2.2 Испытание на коррозионное растрескивание в струбцине (а) и на кольцах (б) с клином для определения времени до образования коррозионных трещин

3. Основные методы исследования микроструктуры металла

3.1 Общая характеристика металлов

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и так далее. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по - прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах и солях.

Металлические материалы обычно делят на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют чёрными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в сою очередь, делят на следующие группы:

· лёгкие металлы Mg, Be, Al, Ti - с плотностью до 5 г/см3;

· тяжёлые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os - с плотностью превышающей 10 г/см3;

· легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn - с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 0С;

· тугоплавкие металлы W, Mo, Ta, Nb - с температурой плавления существенно выше чем у железа (>1536 0С);

· благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

· урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используемые в атомной технике.

· редкоземельные металлы (РЗМ) - лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

· щелочные и щелочноземельные металлы Na, K, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Свойства металлов разнообразны, вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

· высокая пластичность;

· высокие тепло и электропроводность;

· положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

· хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

· термоэлектронная эмиссия, то есть способность к испусканию электронов при нагреве;

· кристаллическое строение в твёрдом состоянии.

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, характеризующееся определённым закономерным расположением атомов в пространстве.

3.2 Основные методы исследования микроструктуры металла

При изучении строения металла различают макроструктуру - строение металла, видимое невооружённым глазом, и микроструктуру - строение металла, определяемое металлографическими методами, то есть с использованием различных типов микроскопов (оптических, электронных и ионных).

3.2.1 Оптическая микроскопия

В оптическом микроскопе изображение формируется в отражённом свете (см. рис. 3.1.). В современных оптических микроскопах используется увеличение от 100 до 2500 раз. С их помощью можно различать структурные составляющие и фазы размером не менее 0,2 мкм.

Рис. 3.1 Принципиальная схема микроскопа 1 - объект изучения; 1' - увеличенное действительное перевёрнутое изображение; 1” - увеличенное мнимое изображение объекта; 2 - объектив; 3 - окуляр; 4 - глаз наблюдателя; Fоб и Fок - фокусные расстояния объектива и окуляра; D - расстояние наилучшего видения объекта

Большинство металлографических исследований с использованием оптических микроскопов основаны на применении светопольного (вертикального) освещения. Для дополнительного повышения контрастности применяют другие виды освещения: метод косого освещения, метод тёмнопольного освещения, исследования в поляризованном свете, метод фазового контраста, метод интерференционного контраста, система дифференциального контраста (система Номарского).

Изучение микроструктуры обычно начинают с рассмотрения специально приготовленного образца (шлифа) в нетравленом виде, то есть после его полировки и промывки. В этом случае можно изучать неметаллические включения, мелкие поры, некоторые структурные составляющие, характерные для ряда сплавов (например, графит в сером чугуне).

Количество и характер распределения неметаллических включений определяют сравнением наблюдаемых изображений на шлифе при увеличении в 100 раз со стандартными шкалами. После этого производят травление шлифа. Реактивы для травления подбирают в зависимости от состава изучаемого сплава и от задач исследования.

Микроскопы делят на переносные и стационарные. Переносные микроскопы используются для исследования поверхности металла непосредственно на изделии (без вырезки образца). Стационарные микроскопы делятся на вертикальные и горизонтальные. Общим для всех является вертикальное расположение предметного столика.

Металлографический микроскоп имеет довольно сложное устройство, включающее в себя механическую, оптическую (объективы, окуляры), осветительную системы и фотографическую аппаратуру. Наиболее широкое применение получили микроскопы «МИМ - 7», «МИМ - 8», «Неофот - 21».

Микроскопическое исследование специально подготовленного образца позволяет изучать такие структурные особенности, как форма, размер, распределение фаз и неметаллических включений, размер зерна, ликвационные области, дислокации с использованием ямок травления и другое. Разработано несколько типов микроскопов для изучения микроструктуры металлов и сплавов в различных температурных условиях. С их помощью можно проводить наблюдения за ростом зерна в металле при нагреве, фазовыми превращениями, процессом спекания, поверхностными явлениями. Существуют приспособления, позволяющие проводить деформацию нагретого образца и дающие возможность наблюдать за процессами скольжения, двойникования, релаксации, фазовыми превращениями, происходящими в материале образца.

3.2.2 Электронная микроскопия

В электронных микроскопах используются не оптические, а электронные лучи с очень малой длиной волны. Это позволяет изучать объекты размером до 0,2 - 0,5 нм.

Достаточно широкое применение в современной металлографии получили растровые электронные микроскопы (РЭМ). Увеличение в РЭМ достигает 104 до 105 раз.

В РЭМ формируется изображение исследуемого объекта при сканировании его поверхности тонко сфокусированным (диаметр 5 - 10 нм) электронным зондом. При взаимодействии зонда с веществом исследуемого объекта в каждой точке поверхности возникают электронные эффекты, которые регистрируются соответствующими датчиками. К таким эффектам относятся: прошедшие через образец электроны, отражённые электроны, вторичные электроны, ток поглощённых электронов, катодолюминисценция, рентгеновское излучение; Оже - электроны, наведённый ток. Перечисленные эффекты используются для получения разнообразной информации о внутреннем строении исследуемых объектов. Так вторичные и отражённые Оже - электроны, а также рентгеновское излучение генерируются в определённых объёмах внутри образца и в результате дают исчерпывающую информацию о рельефе, химическом составе и кристаллографических характеристиках материала образца.

РЭМ занимает промежуточное положение между оптическими микроскопами и просвечивающими электронными микроскопами (ПЭМ). РЭМ обладают следующими функциональными преимуществами перед ПЭМ:

1) большая глубина фокуса в сочетании с наглядностью изображения (во вторичных электронах) позволяет изучать объекты (изломы) с ярко выраженной разнорельефностью поверхности;

2) возможностью проведения рентеноспектрального и катодолюминисцентного анализов, электронной спектрометрии, дифракционных эффектов и так далее;

3) возможность изучения динамических процессов, например процессов, протекающих при непосредственной деформации металла, нагреве, охлаждении и другом воздействии на металл.

Недостатками РЭМ являются ограниченная разрешающая способность - до 4 - 12 нм; невозможность выявления структуры внутри образца, необходимость помещения образца в вакуум и другое.

Основная область применения РЭМ - фрактография, то есть изучение характера разрушения материала с получением качественной информации и поверхности излома.

Благодаря высокой разрешающей способности РЭМ широко используется для металлографического исследования сплавов, обладающих гетерогенными и дисперсными структурами. С помощью РЭМ изучается строение эвтектических и эвтектоидных смесей, размеры, форма и распределение дисперсных частиц второй фазы и так далее. Широкие возможности имеют РЭМ для исследования порошковых и композиционных материалов на разных стадиях изготовления.

3.2.3 Автоионная микроскопия

Увеличение автоионного микроскопа составляет более 106. Изображение в автоионном микроскопе формируется при помощи ионизированного гелия, образцы представляют собой тонкую проволоку с сильно утончённым остриём. Этим методом можно различить отдельные атомы, находящиеся на поверхности металла, изучать поверхностную диффузию, обнаружить отдельные вакансии, межузловые атомы, дислокации, изучать состояние границ зерна. Высокая разрешающая способность, возможность получения информации о дефектах структуры кристаллической решётки делает автоионный микроскоп уникальным прибором. С помощью этого метода наиболее полно исследованы тугоплавкие металлы.

4. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

4.1 Характеристика основных фаз в сплавах

Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами обычно называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и так далее. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся однородным составом, свойствами, типом кристаллической решётки и отделённую от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.

В сплавах возможно образование следующих фаз:

1) жидких растворов;

2) твёрдых и чистых металлов;

3) твёрдых растворов;

4) химических соединений.

В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно -, двух - и многофазными.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.

В твёрдом состоянии компоненты могут образовывать;

1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз;

2) химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия;

3) твёрдые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.

4.2 Компоненты и фазы в сплавах с углеродом

Железо - серебристо - серый металл, принадлежащий к VIII группе периодической системы, имеет атомную массу 55,85, плотность 7,86 г/см3, температуру плавления 1536 0С. Чистое лабораторное железо содержит не более 0,0001 % примесей, технически чистое - около 0,1 - 0,15 % примесей. Прочность технического железа невелика: ув = 250 Мпа при довольно высокой пластичности д = 50%, ш = 80%.

Железо в твёрдом состоянии может находится в двух полиморфных состояниях: ОЦК (объёмноцентрированного куба) и ГЦК следует, что в интервале температур 910 - 1392 0С меньшую свободную энергию и большую стабильность имеет г - железо с кристаллической решёткой ГЦК.

Кривая охлаждения фиксирует два полиморфных и одно магнитное превращение. При магнитном превращении температурная остановка при 768 0С связана не с перестройкой кристаллической решётки и перекристаллизацией, а с внутриатомными изменениями внешних и внутренних электронных оболочек, которые и приводят к изменениям магнитных свойств.



Рис. 4.1 Кривая нагрева - охлаждения железа

Углерод принадлежит к IV группе периодической системы. Углерод в природе встречается в виде двух основных модификаций: алмаза и графита. Атомная масса углерода 12, плотность графита - 2,25 г/см3 , температура плавления 3500 0С. Графит имеет гексагональную слоистую кристаллическую решётку. Графит мягкий материал, и обладает низкой прочностью. Прочность графита с увеличением температуры аномально растёт: при 200С

ув = 20 Мпа, а при 2500 0С графит прочнее всех тугоплавких металлов.

Углерод образует с железом твёрдые растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической формы. Диаметр поры кристаллической решётки ОЦК значительно меньше, чем диаметр поры ГЦК. Поэтому б - Fe способно растворять углерод в очень малом количестве, а растворимость г - Fe существенно больше. Влияние малого размера октаэдрической поры в решётке ОЦК на низкую растворимость углерода усугубляется ещё тем, что сама октаэдрическая пора несимметрична: она вытянута по одной оси вследствие воздействия на неё близлежащих атомов, в том числе и в центре куба.

В системе железо - углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твёрдых растворов на базе б - Fe (феррита) и на базе г - Fe (аустенита), химического соединения Fe3C (цементита) и графита.

Феррит (Ф), являющийся твёрдым раствором внедрения углерода в б - железо, обозначается Feб . При температуре 727 0С наблюдается максимальная растворимость углерода в феррите, составляющая 0,02%; при температуре 20 0С в феррите растворяется 0,006% С. Свойства феррита близки к свойствам чистого железа.

Аустенит (А) - твёрдый раствор внедрения углерода в г - железе, обозначается Feг . При 1147 0С аустенит может содержать до 2,14% С, при 727 0С - 0,8 С.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легирующие элементы, образуя твёрдые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно менять температуру границ существования этих фаз.

Цементит (Ц) - карбид железа Fe3С, в котором содержится 6,67 % С. Температура плавления цементита 1252 0С. Обладает высокой твёрдостью (около 800 НВ), легко царапает стекло. Цементит очень хрупок, имеет практически нулевую пластичность, сложную ромбическую решётку с плотной упаковкой атомов. При нагреве цементит распадается.

Список использованной литературы

1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1986.

2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007.

3. Александров В.Г., Базанов Б.И. Справочник по авиационным материалам и технологии их применения. - М.: Транспорт, 1979.

4. Вульф Б.К., Ромадин К.П. Авиационное материаловедение: Учебник для авиационных вузов и факультетов. - 3- е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1967.

Размещено на Allbest.ru

...