«Ответы на вопросы материаловедению»

1.Классификация материалов по назначению. Материалы с особыми физическими свойствами

Материалы – это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные – для проведения производственных процессов.

Различают следующие разновидности материалов:

сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);

полуфабрикат – переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки для того, чтобы стать изделием, годным к потреблению.

Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.

Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении.

Любой материал, каким бы уникальным он ни был, не является самоценным, а предназначен для изготовления изделия, которое может быть использовано как отдельно, так и в качестве детали более сложного оборудования. Таким образом, материал реализует свои свойства только в качестве компонента оборудования. Современные материалы создаются с заранее заданными свойствами, а следовательно, под конкретное, достаточно узкое назначение. Поэтому наименований и марок материалов очень много. Они собраны и классифицированы в специальных государственных стандартах и справочниках.

Поскольку из материалов создается какое-либо изделие, естественно, что в основе классификации чаще всего лежат назначение (например, конструкционные материалы, инструментальные,  электротехнические, строительные и т.п.) и/или основные свойства, определяющие область использования (например, магнитные, проводниковые, полупроводниковые, износостойкие, коррозионно-стойкие и др.). Часто классификация строится по химическому составу материала и/или структуре, которые, опять же, определяют в большей степени его дальнейшее применение (например, сплавы на основе железа, алюминия, меди, никеля, титана и других элементов, слюдяные, композитные, полимерные, металлические материалы и т.п.).

Различные классификации дополняют друг друга, например: классификация по назначению (конструкционные материалы) включает в себя классификацию по свойству (коррозионно-стойкие материалы), которая, в свою очередь, содержит классификацию по структуре и химическому составу (металлические сплавы на основе: 1) железа; 2) алюминия; 3) титана и др.). Выбор единого способа классификации затруднен, поскольку каждый материал обладает разносторонними качествами, любое из которых ценно и может стать основным в каком-либо конкретном случае, не говоря уже о тех ситуациях, когда материал играет, например, и конструкционную и функциональную роль.

Выбор того или иного материала для создания изделия определяется не только значениями эксплуатационных свойств, но и технологичностью, легкодоступностью и стоимостью.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Конструкционными материалами могут быть металлы и их сплавы (стали), композиты (железобетон), оксиды и их сплавы (стекло), дерево (сосна), полимеры (плексиглас) и др.

Инструментальные материалы предназначены для изготовления различного инструмента и должны обладать высокой твердостью, прочностью, износо- и теплостойкостью. Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы и сверхтвердые материалы (алмаз, нитрид бора со структурой алмаза). Инструментальные стали, в частности, предназначены для изготовления инструментов следующих типов: режущих, измерительных и штампов холодного и горячего деформирования.

Материалы с особыми физическими свойствами

Сюда относятся различные материалы. Рассмотрим некоторые из них.

МАГНИТОТВЕРДЫЕ И МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы широко применяются в технике как концентраторы, проводники и источники магнитного поля. Они являются основой современных электрогенераторов и электродвигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов и дросселей, постоянных магнитов и т.д.

Магнитные материалы подразделяются на две большие группы: магнитомягкие, используемые в основном в качестве проводников магнитного потока, и магнитотвердые – как источники магнитного потока.

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение начальной относительной магнитной проницаемости, способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях, т.е. обладают малой коэрцитивной силой и имеют малые потери при перемагничивании вдоль направления магнитопроводов.

Магнитомягкие материалы используются в основном для изготовления магнитопроводов переменного магнитного поля. Применяются в электроэнергетике, электромашине- и моторостроении, в электро- и радиотехнической промышленности, измерительной и вычислительной технике, системах автоматики и телемеханики. К магнитомягким относят металлические материалы: ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали (нелегированные и кремнистые), магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Ре₂0₃; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферри-магнетика в диэлектрической матрице.

Такие материалы (технически чистое железо, электротехнические стали, магнитомягкие сплавы) должны обеспечивать:

• хорошую магнитную связь между элементами устройств;

• значительный магнитный поток при минимальном использовании магнитного материала;

• минимальные потери на перемагничивание. Приведенные выше требования выполняются:

• выбором рабочей точки, соответствующей максимальной магнитной проницаемости;

• использованием материалов с большой индукцией насыщения, основным компонентом которых является железо;

• выбором материалов с соответствующим комплексом значений различных магнитных свойств.

Сплавы железа с никелем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обладают при определенных составах исключительно высокими магнитными свойствами, недостижимыми в других сплавах. Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном легировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий и титан. Высокие магнитные свойства этих сплавов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигаются минимальные значения константы магнитной анизотропии и константы магнитострикции и, следовательно, максимальное значение магнитной проницаемости.

МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ.

В 1979-1986 гг. отечественными учеными М.А. Савченко и А.В. Стефановичем была предсказана высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) сложных соединений оксидов металлов. В 1986-1987 гг. она была открыта экспериментально Дж. Беднорцем и К. Мюллером. Высокотемпературные сверхпроводники получают как в виде монокристаллов, так и в виде керамики. Кристаллическая структура большинства ВТСП-материалов имеет в своей основе структуру типа перовскита, и их элементарная ячейка соответствует, как правило, орторомбической или тетрагональной симметрии.

Выше точки сверхпроводящего перехода зависимость электросопротивления от температуры близка к линейной, что характерно для металлов. Отличие состоит в том, что величина электросопротивления в нормальной фазе на три порядка выше, чем у хороших металлов. Это указывает на то, что в ВТСП-материалах электрон-фононное взаимодействие

Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники обладают низкой технологичностью (зернистостью структуры, гранулярностью и, как результат, высокой механической хрупкостью). Это делает пока невозможным использование данных материалов в сильноточной электронике, но их использование в микроэлектронике вполне актуально.

АМОРФНЫЕ СПЛАВЫ

Электросопротивление аморфных сплавов сильно отличается от электросопротивления кристаллических сплавов, несмотря на то что концентрация электронов проводимости в аморфных сплавах относительно высокая. У аморфных сплавов оно гораздо выше, причем изменение электрического сопротивления при переходе от жидкого к аморфному состоянию происходит непрерывно. Кроме того, оно очень мало изменяется с температурой. Это изменение может быть даже отрицательным, вплоть до температуры кристаллизации, что характерно для аморфных тройных и бинарных сплавов, содержащих элементы из начала и конца ряда переходных металлов.

Увеличение электрического сопротивления в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими фазами того же химического состава связано с непериодичностью их структуры, что приводит к дополнительному рассеянию носителей заряда.

Аморфные сплавы имеют превосходные характеристики прочности и пластичности, поэтому они интересны в качестве сверхпроводников, соединяющих в себе высокую критическую температуру и хорошие механические характеристики.

Аморфные металлические сплавы относятся к сверхпроводникам 2-го рода. Так как в аморфных сплавах нет дальнего порядка, их сверхпроводимость существенно зависит от величины напряженности магнитного поля и плотности электрического тока.

Сверхпроводящие материалы, часто применяемые в агрегатах ядерного синтеза, подвергаются довольно сильному облучению, следовательно, для них важна стойкость к нему. Сверхпроводящие аморфные сплавы более устойчивы к облучению, чем кристаллические: их электрическое сопротивление после облучения практически не меняется. Кроме того, сверхпроводимость и пластичность аморфных сплавов могут повышаться после него.

2.Явление полиморфизма, полиморфные модификации и их обозначения. Полиморфное превращение, температура полиморфного превращения

Полиморфизм – способность твердых веществ и жидких кристаллов существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе. Такие формы называются полиморфными модификациями. Взаимные превращения полиморфных модификаций называются полиморфными переходами. Полиморфизм простых веществ принято называть аллотропией, но понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (таким как газообразные О₂ и О₃).

Полиморфные модификации обычно являются фазами различного типа. Области устойчивости полиморфных модификаций и точки перехода между ними определяются фазовыми диаграммами равновесия, расчет которых основан на вычислении термодинамических характеристик, а также спектра колебаний кристаллической решетки для различных модификаций. Низкотемпературную модификацию называют α, а высокотемпературные – β, γ, δ и т.д.

Структура кристаллической решетки при температуре Т = 0 К определяется минимумом внутренней энергии U системы частиц. При Т > 0 К структура определяется минимумом энергии Гельмгольца F, куда входит энтропийное слагаемое ТS, связанное с тепловыми колебаниями атомов. Влияние изменения температуры и давления на структуру нужно исследовать при помощи другого вида свободной энергии – энергии Гиббса G.

Полиморфные переходы могут быть фазовыми переходами как 1-го, так и 2-го рода. Переходами 2-го рода часто являются переходы порядок-беспорядок. Неупорядоченная фаза имеет более высокое значение энтропии, и энергия Гиббса будет быстрее уменьшаться с ростом температуры. Поэтому упорядоченные фазы устойчивы при низких, а неупорядоченные – при высоких температурах.

Частный случай полиморфизма – политипизм. Политипные модификации представляют собой различные варианты наложения одинаковых двумерных структурных фрагментов. При этом два параметра решетки неизменны, а третий меняется, оставаясь кратным постоянной величине. Например, для SiC известно более 40 политипных модификаций (политипов).

В металлических кристаллах плотноупакованные структуры вследствие меньшей энтропии устойчивы при низких температурах (до Т^1→2). Более рыхлая структура ОЦК, имеет большую энтропию, а поэтому устойчива при повышенных температурах, им объясняется стабильность ОЦК-решетки при повышенных температурах во многих металлах, например, Ti, Zr, Fe, U. Стабильность ОЦК-решетки в железе и при низких температурах связывают с возрастанием электронной составляющей энтропии.

Большая энергия связи в кристалле приводит к меньшей величине энтальпии, поэтому структуры с ковалентной связью (как наиболее прочной) более устойчивы при низких температурах. Так, решетка типа алмаза, свойственна низкотемпературной модификации олова (серое) Sn_α, а ОЦТ с металлическим типом связи характерна для высокотемпературной модификации олова (белое) S_nβ.

К полиморфизму приводит также изменение давления. Так, при нагреве до 2000°С при давлении ~ 100 ГПа происходит фазовый переход углерода из формы графита в алмаз. При очень больших давлениях в железе обнаружена низкотемпературная модификация с решеткой типа ГПУ.

3.Стадии прессования 

Прессование – процесс выдавливания металла из контейнера через одно или несколько отверстий в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки. При прессовании реализуется одна из самых благоприятных схем нагружения, обеспечивающая максимальную пластичность – всестороннее неравномерное сжатие. Это позволяет обрабатывать даже малопластитные материалы. Обычно коэффициент вытяжки при прессовании составляет 10–50, а в отдельных случаях может быть значительно выше. 

Прессование может выполняться двумя методами – прямым и обратным. При прямом методе (рис. 1, а) заготовку 1 помещают в полость контейнера 2 и с помощью мощного пресса через пуансон 3 и пресс-шайбу 4 выдавливают нагретый или холодный металл через отверстие в матрице 5, укрепленной в матрице-держателе 6. 

При обратном прессовании (рис. 1, б) давление пресса предается через полый пуансон 3 с смонтированной внутри его матрицей 5. Таким образом, металл заготовки 1 течет навстречу движению пуансона. 

При прямом прессовании требуется прикладывать значительно большее усилие, так как часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении металла заготовки внутри матрицы. Отчасти поэтому значительная часть металла заготовки не может быть выдавлена из контейнера. Остающаяся его часть – пресс-остаток – составляет в отдельных случаях 30–40% от массы исходной заготовки.

Усилие при обратном прессовании примерно на 25% меньше, пресс-остаток также почти вдвое меньше, чем при прямом.

Однако сложность конструкции пресса, ограниченность размеров получаемых изделий по длине препятствуют широкому применению способа обратного прессования.

Рис. 1. Схемы прессования прямого (а), обратного (б) и получение пустотелого (в) профиля на примере трубы:

1 – заготовка; 2 – контейнер; 3 – пуансон; 4 – пресс-шайба; 5 – матрица; 6 – матрица-держатель; 7– заглушка; 8 – игла

К достоинствам процесса прессования следует отнести возможность получения изделий сложных профилей, в том числе и пустотелых, не только из высокопластичных, но и малопластичных металлов и сплавов; универсальность применяемого оборудования, позволяющего легко переходить на производство профилей различных конфигураций; достаточно высокую точность размеров и малую шероховатость поверхности получаемых изделий. На рис. 1,в представлена схема получения пустотелого профиля типа тонкостенной трубы. Инструмент для прессования – контейнер, матрица, пресс-шайбы, иглы – работают в очень сложных условиях: больших удельных, давлений до 150 кгс/мм² и часто при высоких температурах. Температурный интервал прессования цветных металлов 500–900°С, а сталей, никелевых и титановых сплавов 1000–1250°С. Поэтому для изготовления инструмента применяют дорогие материалы с повышенными жаростойкостью и прочностными характеристиками. Стоимость комплекта инструмента для получения пустотелых профилей иногда достигает 15% от стоимости всего агрегата.

В качестве силового агрегата для прессования наибольшее распространение получили гидравлические прессы с усилием прессования 1000–5000 т. Они не боятся перегрузки, позволяют регулировать в широких пределах скорость перемещения силового плунжера, легко автоматизируются, в том числе с помощью систем программного управления.

Прессование широко применяют для получения изделий из меди, латуни, бронзы, алюминия, магния, цинка, титана, сталей, пластмасс и др.

Качество получаемого продукта в существенной степени зависит от правильности выбранного режима и качества исходной заготовки. Например, минимальная вытяжка должна быть не менее 10-кратной; допускаются вытяжки весьма значительные: для меди – 280, латуни – 700, алюминия – 1000.

Считается оптимальным отношение длины к диаметру заготовки, равное 2–3 при производстве сплошных профилей и 1,5–2 для пустотелых.

Подготовка исходной заготовки заключается в зачистке поверхности и удалении обнаруженных дефектов, прошивке отверстий при производстве полых профилей, нанесении технологической смазки на поверхность. Роль смазки чрезвычайно высока: она снижает усилие деформирования, уменьшает неравномерность течения металла при прессовании, удлиняет срок службы инструмента, повышает качество поверхности.

Выбор состава смазки зависит от рода обрабатываемого материала. Это может быть графит, добавляемый в минеральные масла, добавки канифоли. Для стали, сплавов никеля и титана, прессование которых ведут при высоких температурах, в качестве смазки применяют стекло.

Прессованием получают изделия различного профиля с размером сечения до 400 мм.