materialovedenie_kurs_lektsiy_ (Ответы по материаловедению (курс лекций)), страница 13

Она снижает качествокерамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики.По назначению керамика может быть разделена на строительную, бытовуюи художественно-декоративную, техническую. Строительная ( например, кирпич)и бытовая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре газонаполненные порыи изготовляется из глины. Техническая керамика имеет почти однофазнуюкристаллическую структуру и изготовляется из чистых оксидов (реже карбидов,боридов или нитридов). Основные оксиды, используемые для производствакерамики — А1203, ZnO2, MgO, CaO, ВеО.

Техническая керамика используется вкачестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Онаобладает высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении. Главныйнедостаток керамики, как и стекла — высокая хрупкость.Ситаллыпредставляютсобойматериалы,полученныепутемкристаллизации стекол. Ситаллы изготовляют путем плавления стекольногоматериала с добавкой катализаторов кристаллизации. Далее расплав охлаждаетсядо пластического состояния и из него формуются изделия. Кристаллизация обычнопроисходит при повторном нагревании изделий.По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом икерамикой.

Их структура состоит из зерен кристаллической фазы, скрепленныхстекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы составляет 30-95%.Пористостьотсутствует.Ситаллыхарактеризуютсяисключительноймелкозернистостью. По внешнему виду могут быть прозрачными инепрозрачными.Структура ситаллов определяет их свойства. Ситаллы имеют высокую твердость,высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладаютжаропрочностью до 900-1200°С, жаростойкостью, износостойкостью. Онихарактеризуютсявысокойхимическойстойкостьюихорошимиэлектроизоляционными свойствами. Ситаллы отличаются хрупкостью, однакоменьшей, чем стекло.

Применяются ситаллы для деталей, работающих привысоких температурах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инструментов.7.5 Композиционные материалыКомпозиционными называют сложные материалы в состав которых входятотличающиеся по свойствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основойкомпозиционных материалов является сравнительно пластичный материал,называемый матрицей.

В матрице равномерно распределены более твердые ипрочные вещества, называемые упроч-нителями или наполнителями. Матрицаможет быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типуупрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсноупрочненные, вкоторых уи-рочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридови др., волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различной формыи слоистые, состоящие из чередующихся слоев волокон и листов матричногоматериала.Среди дисперсноупрочненных материалов ведущее место занимает САП(спеченная алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочненныйдисперсными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной споверхности алюминиевой пудры путем последовательного брикетирования,спекания и прессования.

Структура САП состоит из алюминиевой основы сравномерно распределенными частицами А120,. С увеличением содержания А1,03повышается прочность, твердость, жаропрочность САП, но снижается егопластичность. Марки САП-1, САП-2, САП-3, САП-4 содержат, соответственно, 68,9-12, 13-17, 18-22% А12Ог Высокая прочность САП объясняется большойдисперсностью упрочнителя и малым расстоянием между его частицами. Пожаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы.В волокнистых композиционных материалах упрочнителем служатуглеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна, нитевидныекристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.)или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.).

Свойства материалазависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связимежду ними. Для металлических композиционных материалов прочная связьмежду волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связьмежду компонентами в композиционных материалах на неметаллической основеосуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрицедостигается их поверхностной обработкой. Производится осаждение нитевидныхкристаллов на поверхность волокон.

При этом получаются «мохнатые» волокна сулучшенной адгезией, благодаря чему улучшаются механические свойства композиционного материала.Среди неметаллических волокнистых композиционных материаловнаибольшее распространение получили материалы с полимерной матрицей.Материалы, содержащие в качестве упрочнителя углеродные волокна, называютсякарбоволокнитами.Ониобладаютнизкимитеплопроводностьюиэлектропроводностью, хорошей износостойкостью. Недостаток кабоволокнитов —низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волоконбора называют бороволокнитами.

Они характеризуются высокой прочностью прирастяжении, сжатии и сдвиге, высокими твердостью и модулем упругости, теплои электропроводностью. Материалы, содержащие в качестве упрочнителясинтетические волокна (капрон, лавсан и др.), называются органоволокнитами.Они обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами.Волокнистые композиционные материалы на металлической основе имеютболее высокие характеристики, зависящие от свойств матрицы.

В качествематрицы используются металлы, имеющие небольшую плотность (алюминий,магний, титан), их сплавы, а также никель для создания жаропрочных материалов.В качестве упрочни-теля используют стальную проволоку (наиболее дешевыйматериал), борные и углеродные волокна. При создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля используется вольфрамовая проволока.8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ8.1. Экономически обоснованный выбор материалаПравильный выбор материала для конкретного изделия являетсяисключительно важной задачей. Он производится с учетом целого ряда критериев.При этом технические критерии выбора материала определяются условиямиэксплуатации изделия.

Они определяют комплекс механических свойств(прочность, упругость, твердость, пластичность, вязкость), а в ряде случаев итребования к специальным свойствам (коррозионная стойкость, жаростойкость,жаропрочность, износостойкость, радиоционная стойкость и др.). Способ изготовления изделий определяет требования к технологическим свойствамматериала (ковкость, литейные свойства, обрабатываемость резанием,свариваемость).

Если изделие должно подвергаться термической обработке,следует также учитывать прокаливаемость и закаливаемость.Приведенные требования накладывают определенные ограничения на выборматериала. Если они оказываются достаточно жесткими, то возможный выборограничивается весьма узкой группой материалов. При меньшей жесткоститребований выбор становится более широким.

В любом случае, когда возможныразличные варианты решения задачи выбора материала, окончательный ответдолжен дать экономический анализ вопроса. Исходными данными для этого служат цены материалов. Однако выбор наиболее дешевого материала далеко невсегда будет оптимальным. Экономия также может быть получена за счетследующих факторов.1. Использование более прочного материала.

Это дает возможностьуменьшить размеры изделия, т.е. позволяет снизить расход материала на единицуготовой продукции. Уменьшение размеров также способствует снижению затрат натранспортирование изделий. Кроме того, появляется возможность повыситьмощность и производительность оборудования, изготовленного из более прочныхматериалов.2. Применение более технологичного материала, позволяющего применятьболее экономичные методы изготовления и обработки изделий. При этом экономияможет быть получена как непосредственно за счет снижения себестоимостиизготовления, так и за счет снижения расхода материала благодаря уменьшениюотходов и брака.3. Применение материала с более длительным сроком службы, что приводитк повышению долговечности готового изделия.4.

Использование материалов, способных работать в более тяжелыхусловиях (при более высоких нагрузках, более высоких температурах, в болееагрессивной среде). Применение таких материалов при изготовлении различныхмашин и оборудования позволяет изменить рабочие параметры машин (например,повысить давление или температуру), что приводит к повышениюпроизводительности и, соответственно, снижению себестоимости единицы работыили продукции.Перечисленные факторы связаны, прежде всего, с повышением качестваиспользуемого материала. Более качественный материал, как правило, является иболее дорогостоящим, так как улучшение качества сопровождается увеличениемзатрат на производство материала.

Правильный выбор материала долженучитывать как экономический эффект от повышения качества, так и увеличениестоимости материала. Для этого производится сравнительный расчетэкономической эффективности применения различных материалов, по результатамкоторого и делается окончательный выбор. Только если увеличение ценыперекрывается полученным экономическим эффектом, применение болеедорогостоящего материала целесообразно. Методика определения экономическойэффективности здесь не рассматривается, так как является предметом специальныхкурсов. Приведем некоторые примеры.Для строительных конструкций могут быть применены как углеродистые,так и низколегированные стали (см.