Полимер называется термопластичным, если при нагревании он переходит из стеклообразного или кристаллического состояния в вязкотекучее, т.е. из твердого в жидкое. При охлаждении происходит обратный переход. Если же при переработке полимер приобретает сетчатое состояние (отверждается), то обратный переход в вязкотекучее состояние не возможен. Такие полимеры называются термореактивными. К их числу относят и синтетические смолы, которые получают из олигомеров, отверждаемых в процессе переработки.

Вязкотекучее состояние используют для формования пластмассовых изделий методами экструзии, литья под давлением, каландрования и др. При этом на формуемость большое влияние оказавает вязкость полимера, которая зависит от природы материала и температуры. Расплавы полимеров  это высоковяхкие жидкости, при этом температурная зависимость вязкости подчиняется экспоненциальному закону:

=₀exp(E/RT),

где Е-энергия активации вязкого течения, ₀-предэкспоненциальный множитель, R-универсальная газовая постоянная, T-абсолютная температура. На практике способность полимера к формованию тем или иным способом определяют по показателю текучести расплава (ПТР) – массе расплава полимера, выдавливаемой из капилляра стандартного размера за 10 минут:

ПТР=600m/,

где m – масса расплава,  - время выдавливания в секундах. Измеряется ПТР в [г/10мин].

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

При эксплуатации полимерные изделия подвергаются действию различных внешних полей: механических, тепловых, электрических, магнитных и т. д. Физические свойства, которые представляют собой отклик на это действие, разделяют на механические, тепловые, электрические и др. Физические свойства полимеров определяются их структурой, физическим и фазовым состоянием в процессе эксплуатации. Установление связи между структурой полимеров и их физическими свойствами позволяет не только определить оптимальные условия их применения, но и проводить направленный синтез новых полимерных материалов с заранее заданными свойствами.

Механические свойства определяют степень изменения структуры, размеров, формы тела при воздействии на него механических сил. В зависимости от величины и продолжительности действия механических сил полимерные материалы подвергаются деформации или разрушению. Соответственно различают деформационные и прочностные свойства. Деформационные свойства характеризуют способность полимерных материалов деформироваться под воздействием механических напряжений, прочностные - способность сопротивляться разрушению.

Рис. 3.2. Диаграммы растяжения:

1-ПММА (оргстекло), 2-капрон, 3-эпоксидный полимер, 4-ПЭВД, 5-резина.

Деформацией тела называется изменение его размеров, объёма и формы под влиянием температуры, внешнего механического воздействия или внутренних сил. Деформация сопровождается изменением структуры полимеров и их свойств: чем сильнее деформация, тем значительнее изменение структуры и свойств.

Деформационные свойства полимеров обычно оценивают по кривым напряжениедеформация (). На рис.3.2 приведены диаграммы растяжения для различных полимеров. Несмотря на разный характер кривых, на всех можно выделить начальный участок до точки А, где наблюдается линейная зависимость между  и , т. е. выполняется закон Гука, выведенный для твердых тел. Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом упругости. При дальнейшем нагружении закон Гука уже не выполняется. В общую деформацию таких систем, кроме упругой составляющей _упр. входят высокоэластичная _вэл. и вязкотекучая _вт.:

= _упр+ _вэл +_вт.

Поведение полимеров в электрическом поле характеризуется его электрическими свойствами. Большинство полимеров являются диэлектриками, т. е. характеризуются большими объемным сопротивлением и ничтожно малой электрической проводимостью. Развитие ряда отраслей промышленности вызвало необходимость создания полимерных изделий, обладающих высокой проводимостью и выполняющих роль проводников или полупроводников электрического тока. Этого удаётся достигнуть изменением структуры или состава полимерной композиции. В последнее время нашли широкое применение в народном хозяйстве новые материалы – диэлектрики, способные длительно сохранять заряд на поверхности после электризации, так называемые электреты.

Основные достоинства полимерных конструкционных материалов  высокая удельная прочность, химическая и износостойкость, хорошие диэлектрические характеристики. Свойства этих материалов можно варьировать в широких пределах модификацией полимеров или совмещением их с различными ингредиентами.

К недостаткам полимерных материалов относятся склонность к старению и деформированию под нагрузкой, зависимость прочностных характеристик от режимов нагружения (температура, время), сравнительно невысокая теплостойкость, относительно большой температурный коэффициент линейного расширения, изменение размеров при воздействие на материал влаги или агрессивных сред.

К наиболее важным промышленным полимерам относятся термопластичные: политэтилены различной плотности, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, фторопласт, полиамиды и др., а также реактопластичные: эпоксидные, феноло-формальдегидные, полиэфирные, кремнийорганические смолы и др. В таблице 3.1. приведены некоторые из них.

Таблица 3.1. Название и структурные формулы мономерного звена некоторых термопластичных полимеров.

Композиционные материалы на основе полимеров называются пластмассами. Наряду с основным компонентом  полимером, пластмассы содержат в своем составе такие ингредиенты, как различного рода наполнители, пластификаторы, красители и пигменты, антиоксиданты, отвердители и другие целевые добавки.

4.МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

П о сравнению с другими группами материалов металлы обладают рядом характерных свойств, связанных с наличием в них свободного электронного газа и разнообразных дефектов структуры. Это: высокая тепло- и электропроводность, способность испускать электроны при нагревании (термоэлектронная эмиссия), высокая отражательная способность, повышенная пластичность и др. Наиболее важными механическими параметрами, по которым контролируют качество изделий из металлов, являются статическая и динамическая прочность, жесткость (модуль упругости), пластичность и твердость:Е=/; а₀=А/S; , где Е-модуль Юнга (Па),  -напряжение (Па), -относительная деформация, а₀-ударная вязкость (кДж/м²), А-работа разрушения (кДж), -площадь поперечного сечения (м²), HB -твердость по Бринеллю, Р-сила вдавливания стального шарика (Н), D-диаметр шарика (мм), d -диаметр отпечатка (мм).

Все металлы и сплавы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. Черными металлами называются железо и сплавы на его основе, а остальные металлы и их сплавы называются цветными.

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ

На основе железа изготовляется не менее 90  95 % всех конструкционных и инструментальных материалов. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами.

С

Рис.4.1. Диаграмма фазового равновесия железо-углерод

Ж -жидкий раствор углерода в железе

-твердый раствор углерода в -железе

-твердый раствор углерода в -железе

-твердый раствор углерода в -железе

Fe₃C- карбид железа

остав и содержание различных фаз в сплавах железа с углеродом показан на диаграмме фазового состояния (рис.4.1). Она описывает равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода (С) и температуры (Т). По ней судят о структуре медленноохлажденных сплавов, а также о возможности изменения микроструктуры в результате термической обработки.

В сплаве Fe-С выделяют следующие фазы:

• Ж  жидкий раствор углерода в железе

• Феррит  твердый раствор углерода в -железе и -железе с ОЦК решеткой

• Аустенит  твердый раствор углерода в -железе с ГЦК решеткой

• Графит  полиморфная модификация углерода

• Цементит  карбид железа (Fe₃C) с ромбической решеткой

Феррит имеет низкую прочность и твердость, но обладает высокой пластичностью. Цементит, наоборот, имея высокую твердость и статическую прочность, отличается высокой хрупкостью. При комнатной температуре структура стали состоит из феррита и цементита в виде механической смеси – перлита. Перлит совмещает в себе достоинства феррита и цементита.

Основными сплавами железа с углеродом являются сталь и чугун. Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью, а более 2,14 %  чугуном.

СТАЛЬ

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей, влияющих на ее свойства. Эти же примеси, но в большем количестве, присутствуют и в чугунах.

Влияние углерода на свойства сталей. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и вязкость. Поэтому с увеличением в стали углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость. Предел выносливости с повышением содержания углерода снижается. С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растет электрическое сопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой, хорошо раскисленной стали в качестве примеси обычно не превышает 0,37 %, а марганца - 0,8 %. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Процессы раскисления улучшают свойства стали. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести. Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, то есть хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы. Сера - вредная примесь в стали. Она приводит к красноломкости (горячеломкости) при нагреве до температур прокатки или ковки (1000 - 1200 ⁰С). Сернистые включения снижают ударную вязкость, пластичность и предел выносливости, сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в стали не должно превышать 0,035 - 0,06 %. Марганец в стали исключает явление красноломкости.

Влияние фосфора. Фосфор - вредная примесь, его содержание в стали не должно превышать 0,025 - 0,045 %. Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость, повышает порог хладноломкости стали.

Влияние легирующих элементов. Ni и Mn приводят к образованию аустенитных сплавов (твердый раствор легирующего элемента в  - железе). Легирующие элементы в аустенитных сплавах повышают прочность аустенита при нормальных и высоких температурах. Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести и сравнительно высокий предел прочности. Cr, Mo, W, V, Al, Si и др. приводят к образованию ферритных сплавов (твердый раствор легирующего элемента в  - железе). Большинство легированных сталей являются ферритными. Легированные стали делятся на следующие структурные классы: перлитные (доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные), ледебуритные (карбидные), ферритные (низкое содержание С и большое количество легирующего элемента Cr, Mo, W, V и др.), аустенитные (аустенитная структура при нормальной температуре, не испытывающая   - превращения), полуферритные и полуаустенитные (при повышенном содержании легирующих элементов в стали частично протекает   - превращение), которые состоят из аустенита и феррита.

Конструкционные стали и сплавы Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали). К конструкционным сталям относятся и стали со специальными свойствами - износостойкие, пружинные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные. Эти стали должны обладать высоким пределом текучести _0,2, высокой пластичностью, сопротивлением хрупкому разрушению. Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости), износу и коррозии. Повышение прочности стали достигается твердорастворным (_тр), дислокационным (_д), дисперсионным (_ду), зернограничным (₃) и субструктурным (_с) упрочнением, получаемым путем термической, термомеханической, химико-термической и деформационной обработок, а также подбором состава стали.