Технологические свойства

Технологические свойствахарактеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства− характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучестъ−характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объемная) − характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.

Ликвация −неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением− это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь. Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость− это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием− характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

1. Износостойкость−способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2. Коррозионная стойкость−способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость−способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4. Жаропрочность−способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5. Хладостойкость−способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6. Антифрикционность− способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Свойства веществ и материалов в основных физико-химических процессах

Старение

Старение− изменение физико-химических свойств материала, протекающее либо самопроизвольно, в процессе достаточно длинной выдержки при комнатной температуре (естественное старе­ние), либо при нагреве (искусственное старение).

Старение обычно обусловлено недостаточно стабильным со­стоянием материала и постепенным его переходом в стабильное. Старение материала может приводить как к улучшению, так и ухуд­шению отдельных свойств материалов. Во многих случаях техноло­гическими процессами предусматриваются операции искусственного старения материалов с целью улучшения их свойств.

К старению металлов и сплавов следует относить все процессы изменения во времени их свойств, связанные с превращениями метал­лов и сплавов в твердом состоянии. К основным видам превращений в твердом состоянии относятся: аллотропическое превращение, мартенситное превращение и распад мартенситной структуры, растворение в твердом состоянии и распад пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупорядочение твердых растворов, образование твердого раствора из эвтектоидной смеси.

Эти процессы можно разделить на две группы:

1) превращения, связанные с изменением кристаллического строения (протекающие без изменения химического соста­ва образующихся при этом превращении фаз);

2) превращения, сопровождающиеся образованием фаз с из­мененным химическим составом.

Наибольшее значение для металлов и сплавов имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (процессы выделения) и распадом мартенситной структуры (тем более, что чистые металлы применяются очень редко). Эти процессы обу­словлены метастабильным состоянием сплава в результате техноло­гической обработки, вызывающей искажения кристаллической решетки(например, закалки, наклепа и др.). Старение сопровождается самопроизвольным переходом сплава из метастабильного состояния в стабильное, характеризующееся более низким уровнем внутренней энергии.

При старении полимеров изменяются химический состав, молекулярный вес, характер взаимодействия макромолекул и структура, определяющие физико-химические свойства этих материалов, − проч­ность, твердость, пластичность, эластичность, растворимость, элек­трические свойства и др.

Старение полимерных материалов обусловлено в основном процессами деструкции и сшивания макромолекул полимера.

Деструкция− процесс, протекающий в полимерном материале с раз­рывом химических связей в основной цепи макромолекулы и приводящий к уменьшению степени полимеризации и (или) числа поперечных химических связей.

Деструкция происходит под влиянием физических (тепло, свет, иони­зация и др.) и химических (кислород, озон, вода и др.) факторов. Физиче­ские факторы оказывают влияние на перемещения макромолекул или их сегментов, а химические — вызывают разрыв химических связей, уменьше­ние размеров макромолекул, часто взаимосвязанное с изменением их хими­ческого состава. Если преобладает деструкция, то полимер (например, на­туральный каучук) размягчается, выделяются летучие вещества.

Сшивание макромолекул− образование поперечных химических связей между макромолекулами.

При сшивании макромолекул с ростом числа поперечных связей уменьшается растворимость полимеров, повышаются твердость, хруп­кость, наблюдается потеря эластичности и вязкости (полистирол, бутадие­новый каучук и др.).

Таким образом, деструкция и сшивание макромолекул оказывают прямо противоположное влияние на свойства полимера. Для конкретных условий эксплуатации различают следующие виды старения полимерных материалов: термическое, световое, окис­лительное, озонное, радиационное, химическое, электрическое, ультразвуковое, при воздействии биоло­гических или механических факторов, климатическое, в космосе, в воде, во влажной среде, в живом организме, в почве, в грунте.

Механическое воздействие (например, многократная деформа­ция) ускоряет старение. Влага на старение полимеров действует менее существенно.

Электрическое старение полимерных диэлектриков (снижение электрической прочности, например, в кабелях, конденсаторах, об­мотках электродвигателей) может происходить при достаточно вы­соком напряжении путем ионизации под действием озона и оксидов азота, образующихся при этом. Такое старение протекает при посто­янном напряжении медленнее, чем при переменном напряжении.

В конструкции современных самолетов число резинотехниче­ских изделий составляет более 50 тыс. единиц; в изделиях электрон­ной техники количество неметаллических материалов достигает 60 % от общего количества применяемых материалов. Более 60 % из при­меняемых в технике полимерных материалов и лакокрасочных по­крытий разрушаются вследствие старения и биоповреждений или не сохраняют свои свойства.

Старению полупроводников способствуют субмикроскопиче­ские дефекты материала, микроскопические дефекты на их поверхно­сти, изменение температур, влажности, наличие примесей в материа­ле. При этом возможно уменьшение обратного напряжения пробоя, увеличение обратного тока и шума, микроплазменные эффекты и др.

Изнашивание

Изнашивание − процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (детали). Наука, изучающая процессы изнашивания с учетом свойств материалов, в том числе в присутствии смазочных материалов, называется трибологией.

Трение(внешнее трение) − явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним. Характеристикой внешнего трения служит коэффициент трения.

Коэффициент трения− отношение силы трения двух тел (деталей) к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Результат изнашивания, определяемый в установленных еди­ницах, называется износом. Значение износа может выражаться в еди­ницах длины, объема, массы и др. Испытания на износ проводят са­мыми различными методами, и следует помнить, что результаты та­ких испытаний несопоставимы.

В технике следует различать моральный и физический износ. Мораль­но устаревшими считаются машины, конструкции, материалы, если они в результате общего технического прогресса оказываются малопригодными для удовлетворения нужд производства, хотя еще вполне работоспособны. Такой моральный износ здесь не рассматривается.

Изнашивание материалов (изделия) может происходить при скольжении, ударе, качении, скольжении с качением и др., а также подвоздействием среды (жидкость, газ и др.). При изнашивании внутри нагруженных областей поверхностного слоя материала воз­буждается целый ряд физико-химических процессов: сорбция, диффу­зия, теплообразование, фазовые превращения и химические реакции. При этом изменяются структура и химический состав материала, а следовательно, и его свойства. В нагруженных областях происходит накопление энергии и могут возникнуть трещины, которые развива­ются и приводят к разрушению материала. Изнашивание всегда свя­зано с потерями энергии, накопленной в материале.

При механическом, коррозионно-механическом (окислитель­ном) и молекулярно-механическом воздействиях проявляются основ­ные виды изнашивания (табл. 4.6). Различные виды изнашивания могут действовать как одновременно, так и последовательно; при взаимо­действии один из них может задерживать или активизировать другие виды изнашивания.

В технике наибольшее распространение имеет коррозионно-механическое изнашивание, то есть изнашивание при наличии на по­верхности защитных пленок. Такое изнашивание наблюдается, когда в результате трения на самой поверхности толщиной ~10³ нм образу­ется вторичная структура, содержащая большое количество оксидов. Под вторичной структурой располагается сильнодеформированный слой материала с высокой плотностью дислокаций толщиной до не­скольких микрометров. Наличие вторичной структуры уменьшает износ поверхностного слоя.

Коррозионно-механическое изнашивание наблюдается в под­шипниках скольжения, валах, втулках, поршневых кольцах и т.д. При нормальном окислительном изнашивании коэффициент трения 0,01...0,10 и толщина разрушающегося слоя 0,001…0,01 мм.

Характеристикой изнашивания служит износостойкость.

Износостойкость(износоустойчивость) − свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, или «интенсивности изнашивания».

Таблица 4.6

Классификация видов изнашивания

Способ воздействия при изнашивании	Вид изнашивания
Механическое	Абразивное − в результате режущего или царапающего дейст­вия твердых частиц, попадающих в зону контакта
Адгезионное − в результате связи между поверхностными слоями двух разнородных тел при их соприкосновении
Эрозионное − под влиянием механических воздействий твер­дыми частицами в потоке жидкости или газа
Кавитационное − в результате ударов жидкости при схлопы-вании парогазовых пузырей на поверхности детали
Усталостное − подвлиянием циклических контактных на­пряжений сжатия
Коррозионно-механическое	Окислительное − в результате химического взаимодействия материала с компонентами окружающей среды путем среза непрерывно возобновляющихся окисных пленок
Фреттипг-коррозия −возникает при очень малых коле­бательных перемещениях сопряженных поверхностей, обу­словленных деформациями и люфтами
Молекулярно-механическое	Схватывание и заедание −повреждение поверхностей в ре­зультате действия молекулярных сил и механического воздей­ствия

Износостойкость определяется сочетанием свойств трущихся материалов, качеством контактирующих поверхностей (чистота по­верхности, смазка), характером движения (скольжение, качение, уда­ры, течение), скоростью взаимного перемещения, уровнем нагрузки, отводом отделяющихся частиц (продуктов износа) или присутствием частицкакого-либо другого материала, осложняющего трение.

Износостойкость чистых металлов пропорциональна их твер­дости, но в сплавах эта зависимость может не выполняться.

Диффузия

Диффузия− движение частиц среды, приводящее к необрати­мому переносу вещества или к установлению равновесного распреде­ления концентраций частиц данного сорта в среде.

В качестве диффундирующих частиц рассматривают молекулы, атомы, электроны проводимости, дырки, нейтроны и другие частицы. Диффузия в твердых веществах приводит к переносу атомов на расстояния,превышающие межатомные расстояния для данного вещества.

Частным случаем диффузии в чистом веществе или растворе постоян­ного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества, а его химический состав не меняется, является самодиффузия. При самодиффузии диффузионные перемещения частиц твердого вещества могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям. Так, длительное воздействие сил поверхностного натяжения, тяжести, упругих, электриче­ских и др. может привести к сращиванию двух пришлифованных поверхно­стей образцов одного и того же вещества, спеканию порошков, растягива­нию образцов под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и др.

В отсутствие макроскопического движения среды диффузия молекул (атомов) определяется их тепловым движением. При наличии в среде стационарных перепадов температуры, электрических полей и т.п. диффузия приводит к установлению равновесного распределения концентраций, характеризуемого соответствующими градиентами (термодиффузия, электродиффузия и т.п.). В однородной системе (газ, жидкость) при молекулярной диффузии в отсутствие внешних воздействийдиффузионный поток (поток массы) пропорционален градиентуегоконцентрации. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии зависит от строе­ния и структуры взаимодействующих веществ и особенно сильно — от температуры.

В твердых кристаллических веществах различают следующие виды диффузии: по механизму протекания; по геометрическому месту переноса атомов; по месту поглощения атомов и по природе процесса.

Механизм протекания диффузии может быть межузелъным, вакансионным, обменным и циклическим (рис. 4.16). Реализация того или иного механизма протекания диффузии определяется кристалличе­ским строением вещества и типом дефектов его кристаллической ре­шетки. Так, доказано, что основным механизмом диффузии примес­ных атомов в твердых растворах замещения является вакансионный, а в твердых растворах внедрения − межузельный.

Рис. 4.16. Схемы механизмов протекания диффузии: а – межузельный; б – вакансионный; в – обменный; г – циклический

По геометрическому месту переноса атомов выделяют объем­ную, поверхностную (из внешней среды) и граничную (по границам зе­рен) диффузию. Для совершения элементарного акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер. Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены де­фекты кристаллического строения (вакансии, дислокации и др.).

Объемная диффузия в твердых веществах обусловлена пере­скоками атомов из одного положения в другое, относительно сво­бодное.

Поверхностная диффузия связана или с переносом вещества на поверхность материала из внешней среды, или с поверхности материа­ла во внешнюю среду, или на поверхность материала из его объема, или же в глубь материала с его поверхности (сорбционные процессы).

Сорбция − поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбен­том, поглощаемое − сорбтивом (сорбатом).

По месту поглощения атомов различают поверхность и объем. При этом сорбционные процессы, протекающие на поверхности, на­зываются адсорбцией, а в объеме − абсорбцией. Сорбционные процес­сы избирательны и обратимы. Обратный процесс выделения погло­щенного компонента называется десорбцией.

Адсорбция − поглощение вещества из газовой или жидкой среды по­верхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.

Абсорбция− поглощение какого-либо вещества из окружающей среды всей массой поглощающего тела (абсорбента). Абсорбция жидким абсор­бентом какого-либо компонента из газовой смеси − растворение, из жид­кой смеси − экстракция.

Природу диффузии по характеру сорбционных процессов рас­сматривают как физическую, если вещество при сорбционных процес­сах сохраняет все свои свойства, или как химическую (хемосорбция), если вещество в этих процессах вступает в реакции. При физической при­роде сорбционные процессы обусловлены ван-дер-ваальсовыми си­лами притяжения частиц окружающей среды к частицам вещества.

Диффузия молекул в полимерах отличается от диффузии в кристаллических веществах. Отличия обусловлены большими размерами и массой молекул полимеров и их малой тепловой энергией.

С процессом диффузии связаны структурные изменения в материалах, которые могут ухудшать их физические и механические свойства. Диффузия в значительной степени определяет кинетику физико-химических процессов, обусловливающих разрушение материалов, ползучесть, старение, коррозию и др. Адсорбция газов или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов, понижает прочность металлов и изменяет другие свойства.

Коррозия

Коррозия− самопроизвольное разрушение веществ, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности при взаимодействии с внешней средой. Среду, разрушительно действующую на материал, принято называть агрессивной.

Коррозионному разрушению подвержены металлы, бетон, строительный камень, дерево, некоторые пластмассы и другие конструкционные и строительные материалы. Специфической особенностью коррозии является то, что она может происходить как при функционировании, так и при хранении изделий.

Важнейшими характеристиками коррозии являются ее скорость и коррозионная стойкость материалов.

Скорость коррозии− масса вещества, превращенная в продукты коррозии, с единицы поверхности материала в единицу времени.

На скорость коррозии оказывают влияние внутренние и внешние факторы. К внутренним факторам относятся химический состав и структура материала, состояние его поверхности, наличие напряжений и др., причем с увеличением неоднородности состава и структуры наблюдается возрастание скорости коррозии. К внешним факторам относятся вид и состав окружающей среды и условия, при которых протекают физико-химические процессы (температура, давление, скорость потока агрессивной среды и др.). В промышленной атмо­сфере, по данным многих исследований, скорость коррозии исполь­зуемых материалов составляет в среднем 575 г/м² в год. Ежегодные потери, например, США от коррозии оцениваются более чем в 100 млрд долл.

Коррозионная стойкость − способность вещества сопротив­ляться химическому и электрохимическому воздействию среды, то есть разъеданию или частичному растворению. Коррозионная стой­кость материала определяется по величине скорости его коррозии.

Различают следующие виды коррозии: по характеру взаимо­действия со средой; по геометрическим характеристикам мест разру­шения; по типу коррозионной среды и по характеру дополнительно воз­действующих факторов.

По механизму взаимодействия со средой выделяют химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия возникает в сухих газах (газовая коррозия) и не­электролитах (средах, не проводящих электрический ток: в бензине, бензо­ле и др.). Процесс химической коррозии сопровождается образованием ок­сидов, гидрооксидов и других соединений, которые могут оставаться на поверхности материала в виде пленок, в том числе защищающих материал от дальнейшего действия агрессивной среды.

Электрохимическая коррозия протекает в средах, проводящих элек­трический ток, и ее протекание описывается законами электрохимической кинетики.

По геометрическим характеристикам мест разрушения корро­зию характеризуют по месту протекания как объемную и поверхност­ную, а по степени охвата (локализации) как сплошную, местную, ни­тевидную, точечную, избирательную и др. Так, точечная коррозия может дать начало подповерхностной коррозии, распространяющейся в стороны под очень тонким слоем поверхности вещества, который затем вздувается пузырями или шелушится. Этому виду коррозии подвержены в определенных условиях, например в морской воде, хромоникелевые стали с добавкой молибдена.

По типу коррозионной среды различают атмосферную, газовую, жидкостную, морскую, почвенную, подземную и другие виды коррозии.

По характеру дополнительно воздействующих факторов рас­сматривают процесс коррозии при трении (коррозионная эрозия), под напряжением (коррозионное растрескивание и коррозионная уста­лость), контактную и щелевую коррозии и др.

Для обеспечения коррозионной стойкости используют в основном два метода: отделение материала от агрессивной среды (констркутивные методы) и придание среде нужных антикоррозийных свойств (технологические методы). К конструктивным методам отно­сятся различные способы предохранения от проникновения агрессив­ных сред, а также способы электрохимической защиты, а к технологическим − защитные покрытия, упрочнение поверхности, использование ингибиторов (веществ, исключающих или замедляющих коррозию) и др.

Защитные покрытия наносят на поверхность изделий из различных материалов для предотвращения коррозии, придания им декоративного вида, создания специальных поверхностных свойств (электропроводности, теплопроводности, электроизоляционных, магнитных и немагнитных свойств, светоотражающей и светопоглощающей способности, износо­стойкости и др.). Для защиты от коррозии используются металлические, неметаллические, неорганические (оксидные, фосфатные, фторидные и др.) и органические, лакокрасочные и другие защитные покрытия.

Защитные покрытия по условиям эксплуатации делят на группы: лег­кие − Л; средние − С; жесткие − Ж; очень жесткие − ОЖ. Эти покрытия классифицируют по способу получения, материалу, физико-химическим и декоративным свойствам. Технология нанесения покрытий и методы кон­троля их качества приведены в ГОСТ 16976-71.

Защита материалов от коррозии решается во всех странах на государственном уровне. В общей системе мер по борьбе с коррозией важная роль принадлежит стандартизации. В Российской Федерации ее мероприятия по защите материалов от коррозии установлены в действующих государственных стандартах, объединенных в систему «Единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий» (ЕСЗКС). В настоящее время в этой системе действуют 225 государственных и межгосударственных стандартов. Эти стандарты − концентрированный итог выполнения более 2 тыс. НИР и ОКР, а также результат работ по их гармонизации с международными и на­циональными зарубежными стандартами. По оценке специалистов, широкое применение уже имеющихся способов защиты от коррозии, включенных в международные и государственный стандарты ЕСЗКС, позволяет сократить ущерб от этого вида разрушения на 10-15 %.