Классификация и структура полимеров. Конструкционная прочность металлов и сплавов - Реферат

Полимерами называются вещества, состоящие из очень больших молекул. Как метод создания полимеров, экструзия позволяет создавать материалы с особыми свойствами. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются.[1] Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей - реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трехмерными структурами.В строении полимера можно выделить мономерное звено - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации.Конструкционные углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твердость, хрупкость. Требования к конструкционным материалам: при выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность - способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций; износостойкость - способность материала сопротивляться износу; жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям и др.

Полимерами называются вещества, состоящие из очень больших молекул. Этот состав позволяет полимерам иметь по-настоящему удивительные свойства. Экструзия дополняет качественный состав полимерных соединений. К свойствам полимеров относится высокая эластичность, низкая хрупкость и способность отдельных молекул к пространственной ориентации под действием направленных механических полей. Существуют и полимерные растворы, которые также отличаются впечатляющими свойствами. Так, при весьма низкой концентрации полимеры в жидкости он приобретает высокую вязкость. Перед тем, как произойдет полное растворение полимера, он первоначально набухает. Как метод создания полимеров, экструзия позволяет создавать материалы с особыми свойствами. Сегодня полимеры благодаря своим уникальным характеристикам используются во многих сферах деятельности человека. Это строительство, машиностроение, авиации и космонавтика. Без полимеров сложно представить новейшие военные разработки и медицинские достижения.

Среди изобилия самых разнообразных по строению и свойствам органических соединений есть особый класс - полимеры (от греч. «поли» - «много» и «мерос» - «часть»). Для этих веществ, прежде всего, характерна огромная молекулярная масса - от десятков тысяч до миллионов атомных единиц массы, поэтому часто их еще называют высокомолекулярными соединениями (сокращенно ВМС).

К молекулярным гигантам относятся, например, важнейшие природные полимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), синтетические материалы (полиэтилен, поливинилхлорид, каучук и т. д.). Поэтому ВМС играют важную роль и в биологических процессах, и в практической деятельности человека.

Органические полимеры построены из элементарных звеньев многократно повторяющихся и связанных между собой остатков молекул низкомолекулярных веществ (мономеров).

Проблема прочности металлов и сплавов в настоящее время является несомненно актуальной несмотря на многочисленные заявления о том, что человечество вступило в атомный, нейлоновый, "кремниевый" век, век информации и т.д. На самом деле человечество продолжает пребывать в каком-то смысле в "железном" веке, поскольку основу современных технологий по-прежнему составляют металлы и сплавы, в частности сплавы на основе железа. Способность металлов и сплавов в результате различных обработок принимать любую форму, упрочняться, быть свариваемыми и сплавляемыми и самое главное - находиться большей частью в пластическом состоянии, то есть в состоянии, когда деформация не вызывает разрушения, являет собой совокупность их уникальных свойств, которыми не обладают никакие другие материалы.

По поводу актуальности рассматриваемой здесь проблемы можно привести известное изречение, высказанное М.В. Классен-Неклюдовой и Т.А. Конторовой почти 50 лет тому назад: "Какие бы задачи ни ставило перед собой человечество, возможность их осуществления всегда будет определяться прочностью конструкционных материалов". Таким образом, становится ясным, почему актуальны проблемы физики прочности металлов и сплавов. Российская наука о прочности традиционно занимает одно из ведущих мест в мире. Многие важные разделы этой науки заложены и успешно разрабатываются . В качестве примера приведем мировой рекорд прочности, достигнутый Соросовским профессором В.А. Лихачевым около 20 лет назад на пригодном для использования в промышленности материале - это сплав молибден-рений с пределом прочности, равным 9300 МПА.

Деформация и разрушение кристаллических тел под действием приложенных сил - это основные явления, определяющие механическое поведение материалов. Деформация тел в значительной степени зависит от размера и формы тела, поэтому поведение материала обычно описывается с помощью силы, отнесенной к единице площади, или напряжения (s), и относительного формоизменения, отнесенного к единице длины, или степени деформации (e). Если при снятии нагрузки восстанавливается исходная форма образца, то деформация называется упругой. Другими словами, упругая деформация обратима и исчезает почти мгновенно после снятия нагрузки. Деформация, сохраняющаяся после разгрузки образца, называется пластической.

1. Полимеры

Полимеры (греч. ????- - много; ????? - часть) - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединенных в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер - это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются.[1] Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей - реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трехмерными структурами.В строении полимера можно выделить мономерное звено - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (-СН2-CHCL-)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

2. Особые механические свойства

· эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

· малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

· способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и пленок).

Особенности растворов полимеров: · высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

· растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства: · способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

3. Классификация

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры.

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель - кремнийорганические соединения.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай - звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей - молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями - неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путем сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения. Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах.

5. Типы

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа , меха , шерсть , шелк , хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент , известь , глина ), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы . Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX века, хотя предпосылки для этого появились ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях - путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе . Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы - целлулоид - был получен еще в середине XIX века. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки , волокна , лакокрасочные материалы и загустители . Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы .

Производство синтетических полимеров началось в 1906 году, когда Лео Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - продукт конденсации фенола и формальдегида , превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов , телевизоров , розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда , перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука . Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском

Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида , являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон , нейлон ), начатое еще до войны. В 50-х годах XX века было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат . Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила , - замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок , шерсть , шелк ). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера-Натта , что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью .

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 годы XX века. К ним относятся ароматические полиамиды , полиимиды , полиэфиры , полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Огнеупорные полимеры

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры. Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты. Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов дает изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня.

Новым перспективным наполнителем являются слоистые алюмосиликаты, производство которых создается в России[3] .

Применение

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении , текстильной промышленности , сельском хозяйстве и медицине , автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки , украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины , волокна , пластмассы , пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения. Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х годах XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой , физической , коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии , объектами изучения являются биополимеры .

6. Конструкционная прочность материалов

В результате испытаний получают характеристики: · силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);

· деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);

· энергетические (ударная вязкость).

Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность.

Конструкционная прочность - комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы: · конструкционные особенности детали (форма и размеры);

· механизмы различных видов разрушения детали;

· состояние материала в поверхностном слое детали;

· процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность - свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии.

Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.

Долговечность - способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы.

Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.

Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются: · аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;

· аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения;

· аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.

7. Особенности деформации поликристаллических тел

Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла. Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.

Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации). Изменение структуры при деформации показано на рис.

Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%.

Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.

8. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние - возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата).

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация - процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 8.3).

В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов - процесс энергетически выгодный.

Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.8.4). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре н енаблюдается. Температура начала полигонизации не является постоянной.

Влияние нагрева деформированного металла на механические свойств

Изменение структуры деформированного металла при нагреве

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

.Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700ОС, для латуней и бронз - 560…700ОС, для алюминиевых сплавов - 350…450ОС, для титановых сплавов - 550…750ОС.

9. Конструкционные материалы полимер конструкционный прочность

Виды конструкционных металлов и их маркировка.

Детали машин, как правило, изготовляют из металлов. Металлы, применяемые в машиностроении для изготовления несущих нагрузку деталей, принято называть конструкционными. Основными конструкционными металлами являются: а) черные металлы - сплавы на основе железа (углеродистые, легированные и нержавеющие стали, специальные сплавы, чугуны); б) цветные металлы - сплавы на основе меди, алюминия, титана и других элементов.

Конструкционные металлы имеют различные механические свойства, зависящие от их химического состава и структурного состояния. Сочетание таких характеристик, как химический состав, механические свойства и структурное состояние металла, определяет его сопротивление обработке резанием. Обрабатываемость металлов резанием находит свое проявление в общих закономерностях процессов стружкообразования, формирования новых поверхностей и качества обработанных поверхностей.

По составу и содержанию легирующих элементов конструкционные стали делят на группы: · стали, содержащие только углерод, образуют группу наиболее широко применяемых в машиностроении углеродистых конструкционных сталей (стали 40, 45 и др.);

· стали, содержащие кроме углерода около одного процента хрома, образуют группу более качественных хромистых конструкционных сталей (стали 20Х, 40Х и др.);

· в машиностроении широко применяются стали, содержащие 0,2 ... 0,5 % углерода и по 1 % хрома и никеля; они образуют группу хромоникелевых сталей (стали 20ХН, ЗОХН и др.);

· стали, содержащие кроме углерода по 1 % еще три легирующих химических элемента, образуют группы хромокрем-немарганцовистых (стали 20ХГСА, 30ХГСА и др.), хромоникелевольфрамовых (стали 30ХНВА и др.) и хромоникеле-молибденовых (стали 40ХНМА и др.) сталей.

Конструкционные углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твердость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали - основной металлический материал промышленности.

Требования к конструкционным материалам: при выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность - способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций; износостойкость - способность материала сопротивляться износу; жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям и др.

Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами

Экономические требования к материалу определяются стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали.

1. Колесов, С.Н. «Материаловедение и технология конструкционных материалов»: - М.: Высш шк., 2004. - 512 с.: ил.

2. Б.Н. Арзамасов « Материаловедение». М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 648с.: ил.

Размещено на .ru