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
|
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
|
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
|
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
|
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 1200оС.
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 + +
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.