«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Азотирование

Азотирование – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагреве стали до 500-5-650 °С в аммиаке. Процесс идет в результате диссоциации аммиака и диффузии атомарного азота в поверхностные слои детали. 

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Сr, W, Mo, V, A1. Азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые обеспечивают высокую твердость поверхностного слоя. 

Перед азотированием деталь подвергают улучшению. Процесс азотирования ведут при температурах 500+520 °С, продолжительность его выбирают исходя из необходимой толщины слоя (обычно 0,5 мм и 24-90 ч). Для повышения коррозионной стойкости изделия азотирование ведут при температуре 600+700 °С. 

В качестве среды азотирования могут применяться расплавы циансодержащих солей (KCN, KCNO). При этом резко сокращается время азотирования по сравнению с использованием аммиачной среды, но серьезным недостатком можно считать использование ядовитых солей. Менее распространено применение расплавов KNO₃, NaNO₃, KNO₂, NaNO₂ или продув аммиака через расплав нейтральных солей. 

Широкое применение получает ионное азотирование с использованием энергии тлеющего разряда. В качестве насыщающей атмосферы выступают аммиак, смесь азота с водородом, очищенный от кислорода азот. При ударе положительно заряженных ионов азота о поверхность катода (деталь) она разогревается. При ионном азотировании удается уменьшить время процесса и улучшить качество азотированного слоя. 

Азотирование повышает твердость поверхностного слоя стали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного, и сохраняется до более высоких температур (450+550 °С) по сравнению с цементированным (200+250 °С), имеющим мартенситную структуру.

2. Пластмассы

          Пластические массы (пластмассы, пластики) – это ма­териалы, содержащие в качестве основного компонента полимер, который при определенных температуре и давлении приобретает пластичность, а затем затвердевает, сохраняя форму при эксплуатации. В одних случаях пластмассы состоят в основном из полимера, в дру­гих – представляют собой сложные композиции (кроме полимера содержат наполнители, пластификаторы, вспомогательные вещества и т.д.).

          Полимер является основой, определяющей харак­терные свойства композиции. Выбор состава композиции зависит от свойств основного полимера и способности его совмещаться с добавками, заданных физико-механи­ческих свойств и качеств композиции (твердость, горю­честь, морозостойкость), а также от способности перера­батываться.

          Добавки к полимеру могут существенно изменить его первоначальные физико-механические свойства: плот­ность, прочность, электро- и теплопроводность и т.д. По своему агрегатному состоянию полимеры могут быть жидкими растворы, эмульсии, вязкие массы) и твердыми (гранулы, порошки, куски).

          Широкое применение пластических масс определяется их ценными физическими и химическими свойствами, вы­сокими технико-экономическими показателями. Для органических полимеров и пластмасс на их основе харак­терна низкая плотность (от 0,9 до 1,2 г/см³), поэтому пластмассы обладают наибольшей среди конструк­ционных материалов прочностью, отнесенной к плотно­сти. Низкая плотность является очень важным свойством для применения материалов в авиа-, авто-, ракето- и су­достроении. Многие пластмассы отличаются высокой хи­мической стойкостью, некоторые из них (полиолефины, поливинилхлорид и особенно фторопласт) находят при­менение в химическом машиностроении, в ракетострое­нии, для защиты от коррозии металлов.

          Полимеры и пластмассы на их основе обладают вы­сокими диэлектрическими свойствами; неполярные поли­меры (полиолефины, фторопласт) являются непревзойденными диэлектриками и широко применяются в электро-, радиотехнике и радиоэлектронике.

          Пластмассы имеют низкую теплопроводность (в 70–220 раз ниже теплопроводности стали), что позво­ляет их использовать в качестве теплоизоляторов. Мно­гие пластмассы обладают достаточной механической прочностью, гибкостью, морозостойкостью и теплостой­костью (например, фторопласт может применяться при температурах от – 269 до + 260 °С), прекрасными фрикционными н антифракционными свойствами. Ценными являются оптические свойства некоторых пластмасс (по­лиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты), а так­же способность некоторых видов синтетических полиме­ров (ионообменные смолы) поглощать из водных раство­ров ноны химических соединений, которые затем уда­ляются при регенерации ионитов.

          Пластмассы отличаются от большинства природных материалов возможностью изменения свойств в весьма широком диапазоне и способностью легко перерабаты­ваться в изделия многими способами: литьем под давле­нием, прессованием, экструзией и др.

         Пластмассы широко применяются в машиностроении, приборостроении, авиа- и автостроении, в электро- и ра­диотехнике, промышленности средств связи, в капиталь­ном строительстве, в легкой, пищевой, химической про­мышленности, для производства товаров широкого по­требления и в сельском хозяйстве.

         Наибольшее значение в мировом производстве имеют пластмассы на основе полимеризации. Так, доля полиме­ризационных пластмасс в СССР в 1980 г. составила 4000 от всего производства пластмасс.

         К пластмассам полимеризационного типа (термопла­стам) относятся такие соединения, как полиэтилен, поли­винилхлорид, полистирол и др.

         Полиэмилец, получают полимериза­цией из этилена как при высоком давлении (100 МПа) в газовой фазе, так и при низком давлении в растворе. Он характеризуется высокой прочностью, хорошими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, не­высокой стоимостью. Применяется для производства труб, антикоррозионных покрытий, изготовления деталей в машиностроении, радиотехнике, электротехнике, упако­вочной пленки и тары.

         Поливинилхлорид получается полиме­ризацией хлористого винила суспензионным или эмуль­сионным способом; сырьем служит ацетилен. Это высо­копрочный, негорючий, химически стойкий и механически прочный полимер. Высокие технико-экономические пока­затели наряду с ценными свойствами делают его одним из ведущих в мировом производстве пластмасс.

         Полисмирол также важный для народного хозяйства полимер, получаемый различными мето­дами полимеризации; отличается хорошими механиче­скими, химическими и эксплуатационными свойствами, легко перерабатывается в изделия многими способами, высокоэкономичен.

         Из фторсодержащих полимеров наибольшее промыш­ленное значение имеют фторопласт-4, получаемый из те­трафторэтилена, и фторопласт-3, получаемый из три­фторхлорэтилена. Фторсодержащие полимеры обладают уникальными диэлектрическими свой­ствами, отличаются значительной свето-, тепло-, морозо­- химической стойкостью. Несмотря на высокую себе­стоимость, они широко применяются в ракето-, авиа-, су­достроении, химическом машиностроении, для защиты от коррозии, в приборостроении и т.д.

         В последние годы ассортимент пластмасс полимери­зационного типа пополнился новым материалом – поли­формальдегидом и сополимерами формальдегида.

         Полиформальдегид получается полиме­ризацией газообразного формальдегида в растворителе – толуоле. Полиформальдегид отличается высокой механической прочностью, теплостойкостью и твер­достью, хорошими диэлектрическими свойствами и легко перерабатывается в изделия. Широко применяется во многих областях техники.

         К полимеризационным пластмассам относят также полиакриловые полимеры, поливинилацетали, полипро­пилен, полнизобутилен и многие другие. Ассортимент этих пластмасс непрерывно увеличивается и пополняется.

          Среди пластических масс важное место занимают пластмассы на основе поликонденсации, включающие большую группу материалов: фенопласты, аминопласты, полиамиды и полиуретаны, а также пластмассы на осно­ве полиэфирных, эпоксидных и кремнийорганических смол. Объем производства этих пластмасс увеличивается, хотя доля их в мировом производстве понижается, так как они отличаются более сложными способами получения сырья, более высокой трудоемкостью, меньшей, чем полимеризационные пластмассы, технологичностью (ме­нее совершенные процессы переработки пластмасс в из­делия, отходы в производстве и т.д.). Однако являясь основой многих композиций, поликонденсационные смолы широко используются в виде прессовочных материалов (пресс-порошков, текстолитов, стеклотекстолитов, слоистых пластиков).

          Наибольшее распространение получили смолы фенол­альдегидные (фенопласты) и мочевиноальдегидные (аминопласты). Сырьем для них служат фенол, формаль­дегид и другие альдегиды, карбамид. Наиболее широко они в строительстве авто- и авиастроении применяются для изготовления деталей машин и приборов, теле­фонных аппаратов, счетчиков, авторучек и т.д.

          Из поликонденсационных смол все в больших масш­табах применяются полиэфирные, эпоксидные, полиуре­тановые и полиамидные. Они используются для переработки в изделия, а также для получения лаков, клеев, красок и особенно герметиков благодаря их хорошим ад­гезионным свойствам.

          Для улучшения технико-экономических показателен производства эпоксидных и полиэфирных смол особенно важно снижение энергозатрат и удешевление сырья, составляющего в структуре себестоимости 80­­–85%, а так­же совершенствование технологии.

3. Испытание металлов на ударную вязкость

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454–78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 2, а) и V-образным (рис. 2, б) надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 3).

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть определена по следующей формуле:

где G – вес маятника; h₁ – высота подъема маятника до испытаний; h₂ – высота подъема маятника после испытаний.

Рис. 2. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 3. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя, сопротивления воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м², и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе F. Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС_з и удельной работы ее распространения КС_p , т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А. Дроздовского и А.П. Гуляева. По методу Б.А. Дроздовского испытывают ударные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходуется на распространение трещины, т. е. при таком испытании определяется величина КС_р.

Рис. 4. Схема определения составляющих ударной вязкости по методу А.П. Гуляева

Работа зарождения трещины КС₃ в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталостной трещины КС и работой ее распространения КС_р.

По методу А.П. Гуляева испытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис. 4). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КС_р. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с образцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляющих ударной вязкости.