Контрольная работа по "Металлургии"

В96 σв = 670 МПа). Сплав В95 принадлежит к системе Аl – Zn – Mg – Сu и

содержит добавки  марганца и хрома. Марганец (Mn) и хром (Cr) повышают

коррозионную  стойкость и усиливают эффект старения сплава. Цинк, маг-

ний и медь образуют фазы,  обладающие переменной растворимостью в

алюминии.  Структура  сплава В95 до температуры 200 °С состоит  из α-

твердого раствора и фаз η (MgZn2), S (CuMgAl2), T (Mg3Zn3Al2). При темпе-

ратуре 480 °С фазы η (MgZn2), Т (Mg3Zn3Al2) и частично S (CuMgAl2) пере-

ходят в твердый  раствор, где фиксируются закалкой. 

При искусственном  старении из пересыщенного твердого раствора выде-

ляются тонкодисперсные  частицы η, Т и S фаз,  вызывающие значительное

упрочнение  сплава. После закалки (460–475 °С) и  старения при 120–140 °С

сплав В95 имеет  следующие механические свойства (для  неплакированных

профилей): σв

= 600 МПа, σ0,2 = 550 МПа, δ = 12 %, НВ 150. 

Подобный сплав, отличающийся более высоким содержанием Zn (7,6–8,6 %), Mg  (2,5–3,2 %) и Cu (4,8–5,8 %), имеет повышенную прочность, но более низкую пластичность (σв = 680 МПа, σ0,2 = 640 МПа, δ = 7 %, НВ190) и коррозионную стойкость. 

Естественное  старение для сплавов не применяют, так как оно происхо-

дит очень медленно и обеспечивает более низкую коррозионную стойкость. 

Недостатки  сплавов системы Al – Zn – Mg – Сu: 1) склонность к кор-20  21

розии под напряжением; 2)  склонность к растрескиванию под действием

знакопеременных нагрузок; 3)  чувствительность к  концентрации напряже-

ний; 4) анизотропия  свойств. 

Листовой материал защищают от коррозии путем плакирования сплавом

алюминия с 1 % Zn. Проявление других недостатков устраняется путем пре-

дусмотрения плавных  переходов при изменении сечений  детали и тщатель-

ного изготовления (без царапин,  забоин,  задиров).  Сплав В95 применяют

для высоконагруженных  деталей конструкций,  работающих в основном в

условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжеро-

ны самолетов).

Высокопрочный алюминиевый сплав, легированный Сu, Li, Mn и Cd, 

отличается  от В95 жаропрочностью, меньшей плотностью и более высоким

модулем упругости. Медь и литий образуют с алюминием  твердый раствор

и ряд интерметаллидных фаз,  упрочняющих сплав при  искусственном ста-

рении: СuА12 (θ), CuLiAl2 (Т1) и Al7,5Cu4Li (Тв). Фазы Т1 и Тв имеют низ-

кую склонность к коагуляции при повышенных температурах, что обуслов-

ливает жаропрочность  сплава. Добавки марганца (Mn) и кадмия (Cd), раство-

ряясь в алюминии, улучшают коррозионную стойкость сплава и, кроме того,

влияют на характер превращений при его старении. В присутствии марганца

выделение упрочняющих  фаз происходит не по границам, а  по объему зерен

твердого раствора,  что приводит к увеличению прочности и пластичности

сплава. Кадмий ускоряет искусственное старение и  увеличивает его эффект. 

После закалки  с 515–525 °С и искусственного старения при 160–170 °С в

течение 10–12  ч сплав (ВАД23),  содержащий 4,9–5,8 %  Сu, 1–1,4 % Li,   

0,4–0,8 % Mn  и 0,1–0,25 % Cd,  имеет следующие механические свойства:

σв= 620...640 МПа, σ0,2 = 580…590 МПа, δ = 4…6 %; Е = 73…76 ГПа. Отжиг

сплава проводится при температурах 380...420 °С. По механическим свойст-

вам в отожженном состоянии и коррозионной стойкости этот сплав близок

сплаву Д16. Пониженная пластичность и чувствительность к  концентрации

напряжений  относятся к недостаткам сплава. Сплав применяется для изго-

товления высоконагруженных  деталей, работающих в условиях сжатия при

температурах  до 170 °С.

Высокопрочные алюминиевые сплавы В95, Д16 интенсивно упрочняются при термической  обработке. Полуфабрикаты из сплавов  В95 - применяются после закалки  и искусственного старения. Коррозионная стойкость сплавов этой группы невысока, поэтому приходится применять специальные методы защиты (плакирование, анодирование, нанесение лакокрасочных покрытий). При сварке термически упрочняемых сплавов сварной шов и околошовная зона значительно ослабляются, отчего снижается коррозионная стойкость. Поэтому сплавы этой группы относятся к несвариваемым. Сборку конструкций из этих сплавов осуществляют при помощи заклепочных и реже - болтовых соединений. Для производства профилей, применяемых при изготовлении тяжелонагруженных конструкций используют сплавы В95, Д16.

5. Выбран  неметаллический материал полиэтилен

1) Укажите состав  и свойства, назначение материала,  назовите изготавливаемые из  него детали..  
 
Химическая структура молекулы полиэтилена проста и представляет собою цепочку атомов углерода, к каждому из которых присоединены две молекулы водорода.  
 
Полиэтилен (ПЭ) [–СН2-СН2–]n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена СН2=СН2. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи со степенью полимеризации (СП) обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4-6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150 0С) и давлениях (до 20 атм.). 

Полиэтилен — термопластичный полимер, непрозрачен в толстом слое, кристаллизуется в диапазоне температур от минус 60 °С до минус 369 °С; не смачивается водой, при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях, при температуре выше 80 °С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных; ПЭ устойчив к действию водных растворов солей, кислот, щелочей, но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают. Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать. 

Свойства сильно зависят от плотности материала. Увеличение плотности приводит к повышению прочности, жесткости, твердости, химической стойкости. В то же время при увеличении плотности снижается ударопрочность при низких температурах, удлинение при разрыве, трещиностойкость, проницаемость для газов и паров. Склонен к растрескиванию при нагружении. Не отличается стабильностью размеров.  
 
Обладает отличными диэлектрическими характеристиками. Имеет очень высокую химическую стойкость. Не стоек к жирам, маслам. Не стоек к УФ-излучению. Отличается повышенной радиационной стойкостью. Биологически инертен. Легко перерабатывается. 

Полиэтилен  используется для производства  пленок: (Сельскохозяйственных (покрытие для парников и  теплиц, мульчирование почвы, пропаривание грунта, гидроизолирующий материал при обустройстве хранилищ овощей, упаковывание сельскохозяйственной  продукции и т.п.);  Упаковочных (воздушно-пузырьковая пленка, полиэтиленовый пакет); Термоусадочных (упаковка лекарственных  препаратов, алкогольных и прохладительных напитков, молочных продуктов, замороженной птицы, колбас и сыров и т.п.)); труб: (газовых,  водопроводных, напорных, ненапорных);  емкостей: (цистерн,  канистр, бутылей, садовые лейки); стройматериалов:  волокон;  предметов домашнего обихода;

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) применяется для  изготовления высокопрочных изделий:

санитарно-технических  изделий, деталей технической аппаратуры: (шестерни,  втулок, муфты, ролики, валики, звездочки); деталей автомашин и другой техники: (фильтры; глушители шума; прокладки; броня (бронежилеты);  корпуса для  лодок)

 

2) Опишите строение, применяемую обработку, рабочие  характеристики материала, предъявляемые  к нему требования, границы применимости.

На примере  полиэтилена рассмотрим ответы на данные вопросы.

Строение: Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена, химическая формула которого С₂Н₄. В процессе полимеризации происходит разрыв двойной связи этилена и образуется полимерная цепь, элементарное звено которой состоит из двух атомов углерода и четырех атомов водорода:

Н Н | | – С  – С – | | Н Н

В процессе полимеризации может происходить разветвление полимерной цепи, когда к растущей главной цепи сбоку присоединяется короткая полимерная группа. Разветвленность полимерной цепи препятствует плотной упаковке макромолекул и приводит к образованию рыхлой аморфно-кристаллической структуры материала и, как следствие, к уменьшению плотности полимера и понижению температуры размягчения. Различная степень разветвленности полимерной цепи полиэтиленов высокого и низкого давления и определяет различие свойств этих материалов.

Так у полиэтилена  высокого давления разветвленность  цепи 15-25 ответвлений на 1000 атомов углерода цепи, а у полиэтилена низкого  давления – 3-6 на 1000 атомов углерода цепи. Соответственно, плотность, температуры  плавления и размягчения, степень кристалличности у ПЭВД, который еще называют «полиэтиленом с разветвленной цепью», меньше, чем у ПЭНД, способ полимеризации которого обусловливает малую разветвленность.

Полиэтилен  Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки – это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения.

Полиэтилен  высокой плотности (ПЭНД - низкого  давления) имеет самую простую  структуру из всех пластиков, он состоит  из повторяющихся звеньев этилена. -(CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности.

Полиэтилен  низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеют ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура  разветвленная. -(CH2CHR) n- полиэтилен низкой плотности

Где R может быть -H, -(CH2)nCH3, или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря  своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую  решетку, и, следовательно, имеет тенденцию  к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД – полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД – полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с  раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам.

"Шуршащий" пакет-майка ("шуршавчик"), в  который вы упаковываете покупки,  изготовлен именно из ПЭНД.

Существует  два основных типа ПЭНД. Более "старый" тип, произведенный первым в 1930-х  годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более "молодого" типа ПЭВД.

При комнатной  температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100°С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки – это  ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его  низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В его естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность.

Один недостаток использования ПЭНД в некоторых  из областей применения – его тенденция  к растрескиванию под напряжением  при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней срды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД – это  наиболее широко применяемый упаковочный  полимер, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

ПП – полипропилен. Прекрасная прозрачность (при быстром  охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

ПВХ – поливинилхлорид. В чистом виде применяется редко  из-за хрупкости и неэлостичности. Недорог. Может перерабатываться в  пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав  высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора – диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.