1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решётки магния (параметры, координационное число, плотность упаковки). 2. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Укажите линии ликвидус и солидус, опишите превращения, происходящие в системе железо – карбид железа (перитектическое, эвтектическое, эвтектоидное). Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит? Укажите области существования сплавов: технически чистое железо, стали, чугуны. Укажите содержание углерода и структуру (при комнатной температуре) доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Укажите содержание углерода и структуру (при комнатной температуре) в доэвтектических, эвтектическом и заэвтектических чугунах. Опишите процесс кристаллизации сплава содержащего 0,1 % С. Расшифруйте маркировку сталей (назначение, качество, химический состав): Ст1кп, сталь 45, сталь У8, 08Х13. Расшифруйте маркировку чугунов: СЧ10, ВЧ45, КЧ63-2. 3. С помощью диаграммы железо – карбид железа определите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 60. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и приведите краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида обработки. 4. Полярные термопластичные пластмассы. Опишите фторопласт-3 и органическое стекло, их состав, свойства и область применения в машиностроении. 5. Виды коррозии. Защита металла от коррозии.
1. Ма́гний — элемент второй группы (по старой классификации — главной подгруппы второй группы), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Магний — металл серебристо-белого цвета с гексагональной решёткой, обладает металлическим блеском; пространственная группа P 63/mmc, параметры решётки a = 0,32029 нм, c = 0,52000 нм, Z = 2. Расположение атомов в структурном типе магния соответствует гексагональной (двухслойной) плотнейшей шаровой упаковке. В идеализированной плотнейшей гексагональной упаковке отношение параметров элементарной ячейки c/a = 1,633. В реальных случаях оно несколько отличается (для родоначальника этого типа, магния, составляет 1,624). Все атомы при этом однотипны. Координационное число каждого атома составляет 12, координационный полиэдр — кубооктаэдр. При обычных условиях поверхность магния покрыта довольно прочной защитной плёнкой оксида магния MgO, которая разрушается при нагреве на воздухе до примерно 600 °C, после чего металл сгорает с ослепительно белым пламенем с образованием оксида и нитрида магния Mg3N2. Скорость воспламенения магния намного выше скорости одёргивания руки, поэтому при поджоге магния человек не успевает одёрнуть руку и получает ожог. На горящий магний желательно смотреть только через темные очки или стекло, так как в противном случае есть риск получить световой ожог сетчатки и на время ослепнуть. Плотность магния при 20 °C — 1,738 г/см³, температура плавления 650 °C, температура кипения 1090 °C, теплопроводность при 20 °C — 156 Вт/(м·К). Магний высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддаётся обработке резанием.
.
2. Основой для определения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо — углерод (цементит). На рис. 2.1 представлен её упрощенный вариант. На оси абсцисс отложены две шкалы: содержания углерода и содержания цементита (химического соединения Fe3C). Диаграмма равновесия Fe-Fe3C является диаграммой метастабильного равновесия.
Рисунок 2.1. Диаграмма состояния железо — углерод (цементит)
Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления железа, точка D — температуре плавления цементита. В точке С (с концентрацией 4,3 % С и температурой 1147 °С) расплав затвердевает с образованием эвтектики (ледебурит). Линия ACD — линия ликвидус (выше неё существует жидкий раствор L) — показывает начало первичной кристаллизации. На линии АС из жидкого раствора начинает кристаллизоваться аустенит (А), представляющий собой твёрдый раствор углерода в γ-железе, на линии CD начинает кристаллизоваться цементит. В области АСЕ сосуществуют жидкий раствор и кристаллы аустенита (L + A), а в области CDF — жидкий раствор и кристаллы цементита (L + ЦI). Точка Е диаграммы показывает максимальную растворимость углерода в аустените при температуре 1147 °С. Сплав с химическим составом, соответствующим точке Е, принят границей, отделяющей стали (до 2,14 % С) от чугунов (свыше 2,14 %С). Линия AECF — линия солидус — характеризует конец первичной кристаллизации. Она же является началом вторичной кристаллизации (перекристаллизации), характерной для твёрдой фазы. Прямую линию ЕСF называют линией эвтектических превращений. Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления). Точка G диаграммы соответствует температуре аллотропического превращения чистого железа (911 °С). Термин «аллотропия» (полиморфизм) здесь означает превращение кристаллической решётки γ-железа в решётку α-железа в сталях при их охлаждении от аустенитного состояния. С повышением содержания углерода до 0,8 % температура превращения аустенита в феррит (твёрдый раствор углерода в α-железе) постепенно снижается до 727 °С. Линия GS — начало, линия GP — конец превращения аустенита в феррит. Область GPQ характеризуется наличием феррита (Ф) — чистого α-железа. Линия GS может рассматриваться как геометрическое место критических точек, которые соответствуют температурам фазовых и структурных превращений в сплавах стали и обозначаются Ас3 — при нагреве, Аr3 — при охлаждении. В точке S (с концентрацией 0,8 % С и температурой 727 °С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Линию PSK называют линией эвтектоидных превращений, кроме того, она является геометрическим местом точек Ас1, Аr1. В области GSP существуют аустенит и феррит (А + Ф), а в области QPS-0,8 % — перлит и феррит (П + Ф). Линия SЕ является линией ограниченной растворимости углерода в аустените: со снижением температуры растворимость падает с 2,14 до 0,8 %. В связи с этим в сплавах с содержанием углерода более 0,8 % при их охлаждении избыточный углерод выпадает из аустенита в виде карбида железа Fe3C. Поэтому в области SEE’ сосуществуют аустенит и цементит вторичный (А + ЦII). Этот цементит называется вторичным, потому что он образуется из твёрдой фазы. Кривая SE является геометрическим местом точек Аcm, Arm. В области S-0,8 %-2,14 %-E’ сосуществуют перлит и цементит (П + ЦII). В зависимости от содержания углерода стали делят на группы: доэвтектоидные (с содержанием углерода меньше 0,8 %; их называют конструкционными сталями), эвтектоидные (содержание углерода — 0,8 и заэвтектоидные (содержание углерода — более 0,8 %). Последние две группы называют инструментальными сталями. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита (на шлифах — белые включения) и перлита (тёмные включения). С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается. Структура эвтектоидной стали состоит из перлита, а заэвтектоидных сталей — из перлита и цементита. В чугунах и первичный аустенит, и аустенит в составе эвтектики к концу кристаллизации содержат максимальное количество углерода (2,14 %). При снижении температуры расплава до 1147 °С избыточный углерод (на рис. 2.2 линия SE) выпадает из аустенита в виде вторичного цементита. Поэтому в области ECC’E’ сосуществуют аустенит, ледебурит и вторичный цементит (A + Л + ЦII), а в области CFKC’ — ледебурит и первичный цементит (Л+ЦI). На прямой PSK при охлаждении и в сталях, и в чугунах начинается превращение аустенита в перлит. По этой причине в области ниже линии E’C’ (содержание углерода 2,14–4,3 сосуществуют перлит, ледебурит и вторичный цементит (П + Л + ЦII), а в области С’K-6,67 %-4,3 % — ледебурит и первичный цементит (Л + ЦI). Следует отметить, что линия GPSK является концом вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов. В зависимости от содержания углерода чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14% < C < 4,3%), эвтектические (С = 4,3%) и заэвтектические (С > 4,3%). Структура белых чугунов состоит из перлита, ледебурита и цементита. Своё название белые чугуны получили по виду матово-белого излома. Структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита. Структура эвтектического чугуна состоит из перлита и первичного цементита (в виде крупных светлых продолговатых кристаллов). Структура заэвтектнческого чугуна состоит из перлита и первичного цементита (в виде крупных светлых полос). Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой. Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки. При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка H). Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C. Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой. Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования[3]. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза и при длительном нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита. В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях: • цементит первичный (выделяется из жидкости), • цементит вторичный (выделяется из аустенита), • цементит третичный (из феррита), • цементит эвтектический и • эвтектоидный цементит. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен[4]. Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфер. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п. Перлит — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Ледебурит — структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727—1147 °C, или перлита и цементита ниже 727 °C. Назван в честь немецкого металлурга Карла Генриха Адольфа Ледебура, который открыл «железо-карбидные зёрна» в чугунах в 1882 г. При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко¬го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза¬ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи¬вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст¬вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т.е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
Сталь Ст1кп ̶ конструкционная углеродистая обыкновенного качества. Применение: детали высокой вязкости и низкой твердости, анкерные болты, связывающие обшивки, неответственная арматура, заклепки и котельные связи. Химический состав (массовая доля элементов стали Ст1кп по ГОСТ 380-2005): C (Углерод) Si (Кремний) Mn (Марганец) P (Фосфор) S (Сера) Cr (Хром) Ni (Никель) Cu (Медь) As (Мышьяк) Fe (Железо) 0,06 - 0,12 < 0,05 0,25 - 0,5 < 0,05 < 0,05 < 0,35 < 0,35 < 0,40 < 0,08 остальное При мартеновской и конвертерной выплавке содержание азота не более 0,01%. Однако, допускается увеличение массовой доли азота до 0,013% при условии снижения массовой доли фосфоа не менее, чем на 0,005% при каждом повышении доли N на 0,001%, Cu > 0,3, Ni > 0,3, Cr > 0,3 только для сталей, изготовленных скрап-процессом. Сталь 45 ̶ конструкционная углеродистая качественная. Применение: Сортовой прокат, в том числе фасонный. Химический состав: C (Углерод) Si (Кремний) Mn (Марганец) P (Фосфор) S (Сера) Cr (Хром) Ni (Никель) Cu (Медь) As (Мышьяк) Fe (Железо) 0,42-0,5 0,17-0,37 0,5-0,8 <0,035 <0,04 <0,25 <0,25 <0,25 <0,08 ~97 Сталь У8 ̶ инструментальная углеродистая. Применение: для инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек. Химический состав: C (Углерод) Si (Кремний) Mn (Марганец) P (Фосфор) S (Сера) Cr (Хром) Ni (Никель) Cu (Медь) Fe (Железо) 0,76 - 0,83 0,17 - 0,33 0,17 - 0,33 до 0,03 до 0,028 до 0,2 до 0,25 до 0,25 ~97 Сталь 08Х13 ̶ коррозионно-стойкая жаропрочная. Применение: детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и другие), лопатки паровых турбин, клапаны, болты и трубы; сталь ферритного класса. Химический состав: C (Углерод) Si (Кремний) Mn (Марганец) P (Фосфор) S (Сера) Cr (Хром) Ni (Никель) Fe (Железо) до 0,08 до 0,8 до 0,8 до 0,03 до 0,025 12 - 14 до 0,6 ~84 Чугун СЧ10 ̶ чугун серый, число (10) – значение временного сопротивления при растяжении σв = 100 МПа·10-1. Применяется для изготовления отливок. Чугун ВЧ45 ̶ высокопрочный ферритный чугун с шаровидным графитом, последующие цифры указывают на минимально допустимое значение предела прочности при растяжении. Применяется для изделий с высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Чугун КЧ63-2 ̶ ковкий чугун, первые две цифры — предел прочности при растяжении в кгс/мм2, а последняя цифра — относительное удлинение в процентах. Применятся для изготовления машиностроительных деталей, испытывающих в работе ударные нагрузки.
3. Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур (точек Аc1 или Ас3), выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении (обычно вместе с печью). Температура критических точек для стали 60: Аc1 = 725, Ас3(Асm) = 750, Аr3(Аrсm) = 745, Аr1 = 690. В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали, различают следующие виды отжига: диффузионный (гомогенизация), полный, неполный (для заэвтектоидных сталей его называют сфероидизацией), изотермический, низкий (рис. 3.1), рекристаллизационный.
Рисунок 3.1. Диаграмма различных видов отжига
Цель отжига — устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние. При холодной пластической деформации сталь упрочняется наклёпом. При этом происходят структурные изменения, образуются искажения кристаллической решётки. При необходимости снятия наклёпа производят рекристаллизационный отжиг. А. А. Бочвар установил зависимость между температурой рекристаллизации и температурой плавления: Тp = (0,3 – 0,6) Тпл. Нормализация заключается в нагреве стали выше линии GSE (точки Ас3) на 30–50 °С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе (см. рис. 3.1). После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига, но перлит имеет более высокую дисперсность (тоньше пластинки феррито-цементитной смеси). Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твёрдость и прочность стали будут выше, чем после отжига. Например, после отжига углеродистая сталь (0,4 % С) имеет следующие механические свойства: σв = 550 МПа; δ = 20 %; y = 52 %, а после нормализации: σв = 600 МПа; δ = 22 %; ψ = 40 %. Нормализацию применяют для устранения крупнозернистой структуры и выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку. Нормализация — более дешёвый и простой вид термической обработки, чем отжиг. На машиностроительные заводы углеродистые стали поставляют в состоянии, обусловливающем относительно невысокую твёрдость, чтобы улучшить их обрабатываемость резанием. Конструкционные стали поставляют в отожжённом или нормализованном состоянии, инструментальные стали — после сфероидизации. Полный отжиг определяется нагревом стали на 30 – 50 ˚С выше линии GS, выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением. Он основан на фазовой перекристаллизации и измельчении зерна: для доэвтектоидных сталей – в точке Ас3, а для эвтектоидных – в точке Аc1. Полный отжиг стали применятся для получения однородной мелкозернистой структуры, снижения твёрдости и повышения пластичности. Этому виду отжига подвергаются стали до механической обработки. Неполный (ускоренный) отжиг состоит из нагрева стали на 30 – 50 ˚С выше линии PSK, выдержке при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Он основан на частичной фазовой перекристаллизации стали в точке Аc1. Избыточные структурные составляющие не переходят полностью в твёрдый раствор (феррит – в доэвтектоидных и цементит – в заэвтектоидных сталях). Неполный отжиг применятся для снятия внутренних напряжений и создания мелкозернистой структуры в доэвтектоидных сталях (для улучшения механической обработки). Сталь 60 - конструкционная углеродистая сталь (доэвтектоидная), цифра 60 обозначает, что среднее содержание углерода в стали составляет 0,60%.
4. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пенопласт, полиформальдегид. Политрифторхлорэтилен, PCTFE (-CF2-CFCl-)n - представляет собой высокомолекулярный гомополимер трифторхлорэтилена. В России PCTFE выпускается под торговой маркой фторопласт-3 по ГОСТ 13744-83, относится к числу первых фторсодержащих полимеров, получивших большое практическое значение и промышленное развитие. Свойства: Фторопласт-3 является кристаллическим полимером. Температура стеклования аморфной фазы 50 °C, ниже неё кристаллизация не наблюдается в течение длительного времени, выше неё начинается кристаллизация, скорость которой возрастает с повышением температуры до 170°. Температура плавления кристаллической фазы около 215 °C. Поддаётся закалке: быстрое охлаждение расплавленного полимера приводит к уменьшению содержания кристаллической фазы до 30—40 %. При нагревании до 300—315 °C разлагается и окрашивается в тёмно-коричневый (до чёрного) цвет.[3] Физико-механические свойства фторопласта-3 зависят от степени кристалличности. По сравнению с фторопластом-4 он имеет большую пластичность, однако меньшую на 80—100 °C термическую стойкость. Без нагрузки может эксплуатироваться в интервале температур от плюс 125 до минус 195 °C; под нагрузкой — от плюс 70 до минус 60 °C. На холоде фторопласт-3 нерастворим ни в каких органических растворителях. При повышенных температурах растворяется в мезитилене, тетрахлорметане, бензоле, толуоле, ксилоле, циклогексане и во фторированных углеводородах.[3] Диэлектрические свойства фторопласта-3 уступают свойствам фторопласта-4, что связано с большей полярностью, благодаря которой растут диэлектрические потери. При нагревании выше 120 °C его диэлектрические свойства значительно ухудшаются. По химической стойкости фторопласт-3 также уступает фторопласту-4, но он устойчив к действию кислот различных концентраций, растворов щёлочей, перекисей и органических растворителей. Под влиянием радиоактивных излучений фторопласт-3 претерпевает деструкцию с образованием различных продуктов распада, в том числе хлора и фтора.[3] Фторопласт-3 перерабатывается методами прессования, литья под давлением и экструзии. Практическое отсутствие хладотекучести позволяет применять его при высоких давлениях. Применение: Фторопласт-3 применяют для получения антикоррозийных покрытий по металлу, стеклу, фарфору, керамике (в виде суспензии), получения плёнок и листов для антикоррозионных обкладок ёмкостей, аппаратуры, изготовления прокладок и уплотнений. В качестве антикоррозионного покрытия фторопласт-3 значительно превосходит политетрафторэтилен (Ф-4) и многие другие материалы. Коэффициент диффузии у Ф-3 примерно в 100 раз меньше, чем у ПТФЭ. Покрытия из него практически бездиффузионны. Водопоглощение его фактически равно нулю. Коэффициент диффузии паров воды через плёнку фторопласта-3 равен (1.79-3.06)•10−17кг/(м•с•Па). Фторопласт-3 не оказывает никакого воздействия на вкус и запах пищевых продуктов, поэтому он применим для изготовления деталей машин для обработки пищевых продуктов и покрытия металлических форм и конвейерных лент. Эти покрытия устраняют адгезию и не требуют смазки, они выдерживают длительный нагрев до плюс 100 °C и кратковременный до плюс 120 °C. Плёнки, покрытия и изделия из Ф-3 могут быть использованы в фармацевтической промышленности и в медицине. Пиролизом Ф-3 можно получать масла и смазки. Органи́ческое стекло́ (оргстекло́) (С5O2H8)n, или полиметилметакрилат (ПММА) — акриловая смола, синтетический виниловый полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик, известный под наименованиями Plexiglas, Deglas, Acrylite, Lucite, Perspex, Setacryl, плексиглас, акрима, карбогласс, новаттро, плексима, лимакрил, плазкрил, акрилекс, акрилайт, акрипласт, акриловое стекло, акрил, метаплекс и многими другими. Может подвергаться окрашиванию и тонированию. Состав: Органическое стекло полностью состоит из термопластичной смолы. Химический состав стандартного оргстекла у всех производителей одинаков. Другое дело, когда необходимо получить материал с разными специфическими свойствами: ударопрочными (антивандальными), светорассеивающими, светопропускающими, шумозащитными, УФ-защитными, теплостойкими и другими, тогда в процессе получения листового материала может быть изменена его структура или в него могут быть добавлены соответствующие компоненты, обеспечивающие комплекс необходимых характеристик. Свойства: • Формула: [-CH2C(CH3)(COOCH3)-]n • Температура плавления: 160 °C • Плотность: 1,19 г/см³ • Название ИЮПАК: Poly(methyl 2-methylpropenoate) Эти органические материалы только формально именуются стеклом и относятся к совершенно иному классу веществ, о чём говорит само их название и чем в основном определяются ограничения свойств и, как следствие, возможностей применения, несопоставимых со стеклом по многим параметрам. Органические стёкла способны приблизиться по свойствам к большинству видов неорганических стёкол только в композитных материалах, однако огнеупорными они быть не могут. Стойкость к агрессивным средам органических стёкол также определяется значительно более узким диапазоном. Тем не менее, этот материал, когда его свойства дают очевидные преимущества (исключая специальные виды стёкол), используется как альтернатива силикатному стеклу. Различия в свойствах этих двух материалов следующие: • ПММА легче: его плотность (1190 кг/м³) приблизительно в два раза меньше плотности обычного стекла; • ПММА более мягок, чем обычное стекло, и чувствителен к царапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких к царапинам покрытий); • ПММА может быть легко деформирован при температурах выше +100 °C; при охлаждении приданная форма сохраняется; • ПММА легко поддаётся механической обработке обычным металлорежущим инструментом; • ПММА лучше, чем неспециальные, разработанные с этой целью виды стёкол, пропускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, отражая при этом инфракрасное; светопропускание оргстекла несколько ниже (92—93 % против 99 % у лучших сортов силикатного); • ПММА неустойчив к действию спиртов, ацетона и бензола. Применение: Как уже отмечено, самолёты и вертолёты, относящиеся к предыдущему поколению, остекляют однослойными или многослойными (композитными) материалами на основе органических и силикатных стёкол. Изделия из оргстекла получают вакуумным формованием, пневмоформованием и штамповкой. Используется также метод холодного формования. Многие области применения этих полимеров пересекаются со стеклом, но оргстекло значительно проще обрабатывается и формуется, а также обладает меньшим весом. Это определяет его преимущество для изготовления различных деталей интерьера, указателей, рекламной продукции и аквариумов. Обычно для связи используется трудоёмкое оптическое стекло. В этом волокне сердцевина делается из кварцево-германатного стекла. Хотя материал стеклянных волокон дешевле пластиковых, их себестоимость выше из-за специальной обработки и технологии изделий. В отдельных, менее ответственных случаях широкое применение для связи имеет пластиковое волокно. Из необычных областей применения оргстекла следует отметить: • Изготовление клея-растворителя для самого себя путём получения мономера (метилметакрилата) перегонкой; • В сантехнике (акриловые ванны), в торговом оборудовании. ПММА нашёл широкое применение в офтальмологии: из него уже несколько десятилетий изготавливаются жёсткие газонепроницаемые контактные линзы и жёсткие интраокулярные линзы (ИОЛ), которых в настоящее время имплантируется в мире до нескольких миллионов штук в год. Интраокулярные (то есть внутриглазные) линзы известны под названием искусственного хрусталика, и ими заменяют капсулу, помутневшую в результате возрастных изменений и других причин, приводящих к катаракте. Органические стёкла как биоматериалы именно из-за таких качеств, как пластичность, позволили заменить стёкла неорганические (например, контактные линзы). Работа учёных в течение более чем 20 лет привела к созданию в конце 1990-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно.[7] Тем не менее это не стёкла, но оптический материал со своими характеристиками. Области применения: осветительная техника (плафоны, перегородки, лицевые экраны, рассеиватели), наружная реклама (лицевые стёкла для коробов, световых букв, формованные объёмные изделия), торговое оборудование (подставки, витрины, ценники), сантехника (оборудование ванных комнат), строительство и архитектура (остекление проёмов, перегородки, купола, танц-пол, объёмные формованные изделия, аквариумы), транспорт (остекление самолётов, катеров, обтекатели), приборостроение (циферблаты, смотровые окна, корпуса, диэлектрические детали, ёмкости). ПММА широко используется в микро- и наноэлектронике. В частности, ПММА нашёл применение в качестве позитивного электронного резиста в электронно-лучевой литографии. Раствор ПММА наносят на кремниевую пластину или другую подложку с помощью центрифуги, в результате чего образуется тонкая плёнка, после чего сфокусированным электронным лучом, например, в растровом электронном микроскопе (РЭМ) создаётся требуемый рисунок. В тех местах плёнки ПММА, куда попали электроны, происходит разрыв межмолекулярных связей, в результате чего в плёнке образуется скрытое изображение. С помощью проявляющего растворителя засвеченные участки удаляются. Помимо электронного пучка рисунок можно сформировать путём облучения ПММА ультрафиолетом и рентгеновским излучением. Преимущество ПММА в сравнении с другими резистами состоит в том, что с его помощью удаётся получать рисунки с линиями нанометровой ширины. Гладкая поверхность ПММА может быть легко наноструктурирована путём обработки в кислородной высокочастотной плазме, а наноструктурированная поверхность ПММА может быть легко сглажена путём облучения вакуумным ультрафиолетом (ВУФ). Используется в качестве материала для изготовления имитаций балтийского янтаря. 5. Корро́зия — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Разрушение по физическим причинам не является коррозией, а характеризуется понятиями «эрозия», «истирание», «износ». Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Различают 4 основных вида коррозии: электрохимическая коррозия, водородная, кислородная коррозия и химическая. Электрохимическая коррозия. Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. При электрохимической коррозии всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды — либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т. п., электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается. При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO2, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим редокс-потенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки. Если растворяющийся электрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана, например, защита железных изделий от коррозии путём оцинковки — цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а цинк должен корродировать. Однако в связи с образованием на поверхности цинка оксидной плёнки процесс коррозии сильно замедляется. Водородная и кислородная коррозия Если происходит восстановление ионов H3O+ или молекул воды H2O, говорят о водородной коррозии или коррозии с водородной деполяризацией. Восстановление ионов происходит по следующей схеме: 2Н3О+ + 2ӗ → 2Н2О + Н2 или 2Н2О + 2ӗ → 2НО + Н2 Если водород не выделяется, что часто происходит в нейтральной или сильно щелочной среде, происходит восстановление кислорода и здесь говорят о кислородной коррозии или коррозии с кислородной деполяризацией: О2 + 2Н2О + 4ӗ → 4ОН‾ Коррозионный элемент может образовываться не только при соприкосновении двух различных металлов. Коррозионный элемент образуется и в случае одного металла, если, например, структура его поверхности неоднородна (например, межкристаллитная коррозия). Химическая коррозия Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом: 4Fe + 3O2 → 2Fe2 O3. Методы защиты металлов от коррозии Существует несколько основных методов защиты металла от коррозии: - увеличение химического состава металла с целью повышения его антикоррозийных характеристик; - изоляция поверхности металла антикоррозийными материалами; - снижение агрессивности среды, в которой производятся и эксплуатируются металлические изделия; - наложение внешнего тока, обеспечивающего электрохимическую защиту от коррозии. Таким образом, можно защитить металлические изделия от коррозии до начала их эксплуатации или во время нее. Мы давно занимаемся проблемой защиты металла от коррозии и можем предложить наилучшие варианты. Самый простой из них и широко применяемый нами – это использование специальных металлических защитных покрытий. Так, применение анодных покрытий увеличивает до максимума отрицательных электрохимический потенциал металла, исключая возможность его коррозии. Катодное покрытие имеет менее выраженное действие и требует нанесения более толстого слоя, но при этом оно значительно увеличивает твердость и износостойкость изделия. Если рассматривать виды покрытия с точки зрения их получения, то можно выделить химическое и электролитическое осаждения, горячее и холодное нанесения, металлическое напыление, плакирование и термодиффузионную обработку. Одним из самых популярных способов защиты металла от коррозии является нанесение неметаллических составов. Это может быть пластик, керамика, каучук, битум, полиуретан, лакокрасочные составы и многое другое. Причем последние представляют собой наиболее широкий ассортимент и могут применяться в зависимости от условий среды, в которых будет использоваться изделие. Так выделяют лакокрасочные покрытия, устойчивые к действиям воды, атмосферы, химическим растворам и т. д. Для смягчения действия коррозионной среды можно ввести в нее небольшое количество ингибиторов, которые приводят к нейтрализации или обескислороживанию среды и образуют адсорбционную пленку, защищающую поверхность металла. При этом пленка может в некоторой степени изменить электрохимические показатели металлов. Электрохимическая коррозионная защита металлов заключается в катодной или анодной поляризации (внешнем воздействии тока). Это также возможно осуществить путем присоединения к металлическому изделию протекторов, замедляющих коррозию. В современном производстве большое значение уделяется разработке устойчивых к коррозии металлических сплавов. Например, коррозионная устойчивость значительно повышается при добавлении в железный сплав хрома и никеля. Магниевые сплавы с этой же целью легируются марганцем, а никелевые - медью.
Список литературы
1. Александров, В.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебное пособие. Часть 1. Материаловедение / В.М. Александров. – Архангельск: ИПЦ САФУ, 2015. – 335с. 2. Барон, Ю.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов / Ю.М. Барон. – СПб.: Питер, 2012. – 512с. 3. Боровушкин, И.В. Микроструктура и свойства углеродистых сталей после термообработки: Методическое руководство к лабораторным и практическим занятиям по дисциплине «Технология конструкционных материалов и материаловедение» для студентов специальностей 150405, 190601, 190603, 110301, 110302 всех форм обучения / И.В. Боровушкин. – Сыктывкар: Сыктывкарский лесной институт, 2007. – 20с. 4. Максимов, Б.Н. Промышленные фторорганические продукты: справочное издание / Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др. – 2-е, перераб. и доп. – СПб. : Химия, 2996. – 544с. 5. Федорченко, В.И. Коррозия металлов: Учебное пособие / В.И. Федорченко. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2009. – 127с.
и заэвтектоидные (содержание углерода — более 0,8 %). Последние две группы называют инструментальными сталями.