Пластмассы, сталь, сплавы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «Физика металлов и металловедения»

КОНТРОЛЬНО – КУРСОВАЯ РАБОТА

ВАРИАНТ № 12

Выполнил

студент группы 220761

Кузьмичев Александр

Александрович

Проверил

Мясникова Л.В.

Содержание

 

Термопластичные пласмассы……………………………………...…3

Сталь 12ХГТ.………………………………………..………………...11

Железоуглеродистый 1% С сплав..…………………………………..12

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60-70 градусов Цельсия начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более термостойкие структуры могут работать до 150 -250 ⁰С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 -600 ⁰С.

Таблица 1. ТЕМПЕРАТУРА СТЕКЛОВАНИЯ Tст И ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ Tпл НЕКОТОРЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВа
Полимер	Tст, ° С	Tпл, ° С
Полиэтилен	-80	135
Полипропилен	-10	180
Полистирол	100	-
Поливинилхлорид	80	270
Поливинилиденхлорид	-20	190
Полиметилметакрилат	105	-
Полиакрилонитрил	105	310
Найлон-6 (капрон)	50	223
Найлон-6,6	57	270
Полиэтилентерефталат	69	265
Полиформальдегид (полиоксиметилен, параформ)	-85	180
Полиэтиленоксид (полиоксиэтилен)	-67	70
Триацетат целлюлозы	130	300
Тефлон (политетрафторэтилен)	-113	325
а Ниже Tст пластмассы хрупки и тверды, между Tст и Tпл – гибки и податливы, выше Tпл они являются вязкими расплавами.

При длительном статическом нагружении появляется вынужденно – эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформирования не успевает развиваться высокоэластичная деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет 10 – 100 МПа. Модуль упругости (1,8 – 3,5)10³ МПА. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2 – 0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

Таблица 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЛАСТМАСС
Полимер	Диэлектрическая проницаемость при 60 Гц	Электри-ческая прочность, В/см	Коэффициент потери мощности при 60 Гц	Удельное сопротивление, Ом×см
Полиэтилен	2,32	6×106	5×10–4	1019
Полипропилен	2,5	2×106	7×10–4	1018
Полистирол	2,55	7×106	8×10–4	1020
Полиакрилонитрил	6,5	-	0,08	1014
Найлон-6,6	7,0	3×103	1,8	1014
Полиэтилен- терефталат	3,25	7×103	0,002	1018

Термопласты делятся на неполярные и полярные.

НЕПОЛЯРНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

 

К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт – 4.

Полиэтилен ( -СН₂ – СН₂)_n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55 – 65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74 – 95 %.

СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ
СП	от 1000 до 50 000
Тпл	129–135° С
Тст	ок. –60° С
Плотность	0,95–0,96 г/см3
Кристалличность	высокая
Растворимость	растворим в ароматических углеводородах только при температурах выше 120° С

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до 60 – 100 ⁰С. Морозостойкость достигает – 70 ⁰С и ниже. Полиэтилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей.

СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
СП	от 800 до 80 000
Тпл	108–115° С
Тст	ниже –60° С
Плотность	0,92–0,94 г/см3
Кристалличность	низкая
Растворимость	растворим в ароматических углеводородах только при температурах выше 80° С

Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы(2-3% сажи замедляют процессы старения в 30 раз). Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет: приобретает большую прочность и теплостойкость.

Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, он служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока.

Полипропилен (-СН₂ – СНСН₃ -)_n является производной этилена. Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150 ⁰С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Недостатком пропилена является его невысокая морозостойкость (от -10 до -20 ⁰С). Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных ёмкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

СВОЙСТВА ИЗОТАКТИЧЕСКОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА
СП	от 1000 до 6000
Тпл	174–178° С
Тст	ок. 0° С
Плотность	0,90 г/см3
Кристалличность	высокая
Растворимость	растворим в ароматических углеводородах только при температурах выше 120° С

Полистирол ( -СН₂ – СНС₆Н₅ -)_n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами (присутствие в макромолекулах фенильного радикала).

Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость. Склонность к старению, образованию трещин.

Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛА
СП	от 500 до 5000
Тпл	аморфен и не имеет точки плавления
Тст	ок. 90° С
Плотность	1,08 г/см3
Кристалличность	Отсутствует
Растворимость	легко растворим в ароматических углеводородах и кетонах при комнатной температуре

Фторопласт -4(фторлон) политетрафторэтилен (-CF₂- CF₂ -)_n является аморфно – кристаллическим полимером, до температуры 250 ⁰С скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать фторопласт -4 можно до температуры 250 ⁰С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415⁰С. Аморфная фаза находится в высокоэластичном состоянии, что придает фторопласту – 4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до -269 ⁰С) пластик не охрупчивается. Фторопласт -4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме того, пластик не смачивается водой. Политетрафторэтилен малоустойчив к облучению. Это наиболее высококачественный диэлектрик. Фторопласт -4 обладает очень низким коэффициентом трения, который не зависит от температуры.

Недостатками фторопласта -4 являются хладотекучесть, выделение токсичногофтора при высокой температуре и трудность его переработки.

Фторопласт -4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

 

ПОЛЯРНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

К полярным пластикам относятся фторопласт-3. органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиэтилентерефталат. Поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт 3(фторлон -3)- полимер трифторхлортилена, имеет формулу (-СF₂ –CFCl -)_n. Введение атома хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится полярным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется пластичность и облегчается переработка материала в изделия. Фторопласт -3, медленно охлажденный после формования, имеет кристалличность около 80 -85%. А закаленный – 30-40%. Интервал рабочих температур от -150 до 70 ⁰С. При температуре 315 ⁰С начинается термическое разрушение. Хладотекучесть у полимера проявляется слабее, чем у фторопласта -4. По химической стойкости он уступает политетрафторэтилену, но всё же обладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов щелочей и органических растворителей.

Фторопласт -3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный дибутилфталатом. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол 91180кг/м³, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность92%), пропускает75% ультрафиолетового излучения. При температуре 80⁰С органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 -150⁰С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно. Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная стойкость. Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориентированием. Органическое стекло используется самолетостроение, автомобилестроение.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойкие к химикатам, не поддерживают горение. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругость. Из винипласта изготовляют трубы детали вентиляционных установок теплообменников и т.д.

 

СВОЙСТВА ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
СП	от 500 до 5000
Тпл	аморфен и не имеет точки плавления
Тст	ок. 20° С
Плотность	1,60 г/см3
Кристалличность	очень низкая
Растворимость	растворим при комнатной температуре в небольшом числе растворителей

Полиамиды – это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, амид. Полиамиды – кристаллизирующиеся полимеры. При одноосной ориентации получают полиамидные волокна, нити, пленки. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, гайки, шкивы. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия.

Полиуретаны – содержат уретановую группу. Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмосферостойкость и морозостойкость (от -60 до -70 ^оС). Верхний температурный предел составляет 120-170 ^оС. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

Полиэтилентерефталат – сложный полиэфир, выпускается под названием лавсан. Полиэтилентерефталат является диэлектриком и обладает высокой химической стойкостью. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани.

Сталь 12ХГТ

 

Ковка		Охлаждение поковок, изготовленных
		Из слитков		Из заготовок
Вид полуфабриката	Температурный интервал ковки, С	Размер сечения, мм	Условия охлаждения	Размер сечения, мм	Условия охлаждения
Шток	1220-800	До 100	В яме с закрытой крышкой	До 250	На воздухе

Легирующие элементы, вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств. Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода образуют с железом твердые растворы замещения. Сталь 12ХГТ относится к сталям хромомарганцевым с добавлением титана. Марганец – сравнительно дешевый элемент, применяется, как заменитель в стали никеля. Как и хром, марганец растворяется как в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость, особенно доэвтектоидной стали. Введение небольшого количества титана, образующего труднорастворимые в аустените карбиды TiC, уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву. При нагреве стали 12ХГТ до 1000 ^оС с последующим подстуживанием до 870 ^оС,для закалки величина зерна сохраняется на уровне 8-го балла. Сталь 12ХГТ применяется: в зубчатых колесах коробок передач.

Массовая доля элемента, %, по ГОСТ 4543-71																					Температура критических точек, С
C	Si		Mn		S		P		Cr	Ni	Mo			N		W		Ti		Cu	Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
0.l7	0.37	0.8		0.035		0.305		1		0.3		-	0.008		-		0.03		0.3		740	825	650	730

Режим термообработки			Сечение, Мм	σ02, H/мм2	σВ, H/мм2	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	HRC	HB
Операция	t, C	Охлаждаю- щая среда		Не менее
Отжиг или отпуск			Свыше 5 до 250	Не определяются						≤ 217
Нормализация	880-950	Масло	До 80	885	980	9	50	78		-
Закалка	855-885	Масло	Свыше 80 до 150	885	980	7	45	70
Отпуск	150-250	Воздух или вода	Свыше 150 до 250	885	980	6	40	66
В термически обработанном состоянии			До 100	395	615	18	45	59
Цементация Закалка Отпуск	920-950 820-860 180-200	Воздух Масло Воздух	До 20	950	1200	10	50	80	Повер-хности 56-62	Сердцевины ≥ 341
			20-60	800	1000	9	50	80	Повер-хности 56-62	Сердцевины240-300
Закалка Отпуск Азотирование	910 570 500-520	Масло Воздух С печью до 150 С							Повер-хности 55-59

 

Механические свойства при комнатной температуре

 

Железоуглеродистый 1% С сплав

Сплав железа с углеродом (количество углерода 1%) при температуре 1200^оС.

Фазовые превращения.

С = К + 1 – Ф

К = 1

Ф = 1

С = 1 +1-1=1

 T(˚c) Жидкая фаза + феррит 1% C

 1600

 А D

 H В Жидкая фаза

феррит J

 1400

 Nжидкая фаза жидкая фаза

 феррит + +

 + аустенит аустенит цементит(первичный)

 1200

 1147

 Аустенит E аустенит + цементит C F

 (вторичный)

 1000 +

 аустенит ледебурит Цементит (первичный)

 G + (аустенит + цементит) +

 феррит феррит аустенит ледебурит

 800 +

 S цементит

феррит 727 K

 + Pцементит перлит + цементит

 цементит 600 (вторичный) (вторичный) цементит

 (третичный) + + (первичный)

 перлит ледебурит +

 (феррит + (перлит + цементит) ледебурит

 400 Q цементит) (перлит + цементит) L

феррит

 + 0.02 0.08 (2.14) 3 4 4.43 5 6 6.67

 перлит Стали Чугуны

 Содержание углерода,(%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Содержание цементита (Fe3C), (%).

Диаграмма состояния железо – карбид железа.

Кривая охлаждения в интервале температур от 0˚ до 1600˚с

(с применением правил фаз) для сплава, содержащего 1,0% С.

 T (˚c)

0

 1600 I

 1490 ˚с

 1290 ˚с

 1200 ІІ

III

 800 ІV 800 ˚с

727˚с

 V

 

 400

 

0                                                                                                                     t (c)

 время

 0-I- жидкая фаза;

I- точка линии ликвидус (начало кристаллизации);

I-II- жидкая фаза + аустенит;

II- точка линии солидус (окончание кристаллизации);

II-III- сплав приобретает однофазную структуру - аустенит;

III- точка линии предельной растворимости С в γ-Fe;

III-IV- фаза равновесия аустенита и феррита;

IV- точка линии эвтектоидных превращений сплавов;

IV-V-эвтектоидное превращение (феррит + цементит);

V-VI - область фазового равновесия перлита и цементита(вторичного).

Список использованной литературы

1.    М.М. Колосков, Ю.В. Доибенко-М, " Марочник сталей и сплавов ". Издательство " Машиностроение ".

2.    Ю.М Лахтин, В.И Леонтьева, " Материаловедение".

 Издательство “Машиностроение”,1972.

3.    Б.Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, " Материаловедение"

 Издательство “Машиностроение”,1986.