4_Nemat_mat

43

ріалах у керамічну матрицю вводиться другий пластичний компонент, за рахунок чого істотно зростає в'язкість матеріалу.

За структурною ознакою керамічні композиційні матеріали підрозділяють на три основні групи – дисперсні, армовані волокнами та шаруваті.

Дисперсні ККМ складаються з матриці і частинок наповнювача, рівномірно розподіленого в її об’ємі.

Механізм поліпшення фізико-механічних властивостей цих матеріалів пов'язаний з гальмуванням і розгалуженням тріщин при зустрічі їх з мікровключеннями другої фази. Як другу фазу, що зміцнює, використовують карбіди і нітриди.

Введення дисперсних карбідів призводить до підвищення міцності матеріалу в середньому на 20 %, а в'язкість руйнування зростає вдвічі. Основні механічні властивості ККМ різного типу приведені в таблиці 4.6.

Таблиця 4.6 – Механічні властивості керамічних композиційних матеріалів

В армованих ККМ волокнистоподібний наповнювач може бути розташований довільно або орієнтовано. Як наповнювач застосовують волокна металів і сплавів, сітки на основі вуглецевих або нержавіючих сталей. Високоміцні матеріали армують дротом з титана, берилію, вольфраму, молібдену. У ККМ також як наповнювач застосовують волокна бора, карбіду кремнію, вуглецеві волокна, ниткоподібні кристали на основі Al2O3, Si, Al, Ti2N.

44

Шаруваті ККМ містять компоненти, розташовані у вигляді шарів різного складу. Наповнювачем таких матеріалів часто служить металева фольга.

Перспективними ККМ є евтектичні метал-оксидні системи. Армовані ККМ мають більш високі характеристики міцності й

інший механізм руйнування в порівнянні з дисперсними ККМ (див. табл. 4.6). Перешкодою для росту тріщин служать численні поверхні розподілу матриця – наповнювач. Процес руйнування армованого ККМ складається з стадій руйнування матриці, волокон і витягування волокон. Розташування волокон визначає розподіл напружень в композиті і напрямок розвитку тріщин у матриці.

ККМ одержують методами гарячого пресування (ГП), реакційного спікання (РС).

ККМ є перспективними для застосування в машинобудуванні. Дисперсніі ККМ уже досить широко застосовуються для вигото-

влення деталей фрикційного й антифрикційного призначення, штампів, матриць. З корозійностійких ККМ виготовляють підшипники, деталі насосів для перекачування агресивних середовищ, клапани нафтових шпар.

При введенні 30 об'ємних відсотків вусів SiС у Al2O3 було досягнуте підвищення межі міцності в три рази, а в'язкість руйнування збільшилася вдвічі. Властивості міцності були стабільними до 1200°С. Цей ККМ має високий опір повзучості і добру термостійкість.

4.2. Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання:

1.Основні компоненти і фазовий склад кераміки.

2.Склад, структура і властивості кераміки на основі чистих ок-

сидів.

3.Склад, структура і властивості безкисневої кераміки.

4.Технологія отримання керамічних виробів.

5.Керамічні армовані матеріали.

6.Композиційні матеріали на основі тугоплавких оксидів (оксида алюмінія, диоксида цирконія, сілікатніх матриць).

45

7. Композиційні матеріали на основі безкисневих матриць (нітріда кремнія, карбіда кремнія).

4.3.Контрольні питання

1.Що уявляє собою технічна кераміка її різновиди?

2.Яку кераміку називають конструкційною?

3.Яким чином склад кераміки впливає на її кислото- і луго-

стійкість?

4.Назвіть компоненти, які входять до складу кисневої і безкисневої кераміки. Що є сировиною для виготовлення керамічних деталей?

5.Порівняйте переваги та недоліки оксидної і безкисневої ке-

раміки.

6.Охарактеризуйте композиційні керамічні матеріали за структурною ознакою.

7.Опишіть типи наповнювачів, які застосовуються в композиційних керамічних матеріалах, і їх вплив на властивості останніх.

8.Порівняйте вплив різних типів технологій отримання деталей із композиційних керамічних матеріалів (реакційне спікання, гаряче пресування, ізостатичне пресування) на їх властивості.

9.Які існують способи зниження крихкості керамічних композиційних матеріалів.

10.Наведіть приклади доцільності виготовлення деталей із кераміки та керамічних композиційних матеріалів.

4.4.Матеріали і устаткування

Набір зразків і деталей з кераміки і композиційних матеріалів на керамічній основі, машина для проведення випробувань зразків на згин.

4.5. Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

4.6. Порядок виконання лабораторної роботи

46

Ознайомитися зі зразками і деталями з кераміки та композиційних матеріалів з керамічною матрицею.

Вивчити структуру зразків із ККМ. Провести випробування на згин керамічних зразків з різною порістю. Результати занести в табл. 4.7.

Таблиця 4.7 – Вплив пористості на механічні властивості конструкційної кераміки

4.7. Порядок оформлення звіту

Мета роботи, загальні відомості. Описати технологію виготовлення вивчених зразків і деталей, їх структуру і властивості. Побудувати графік залежності міцності кераміки від її густини. З застосуванням цих результатів пояснити вплив пористості на міцність кераміки. Вказати способи зниження пористості кераміки. Зробити висновки щодо вивчених властивостей керамічних матеріалів.

4.8.Література

1.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение:Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп.

–М.: Машиностроение, 1990. – С 462 – 474.

2. Композиционные материалы в машиностроении /Пилиповский Ю.Л., Грудина Т.В., Сапожникова А.Б. и др. – К.: Техніка, 1990.– С. 62–63.

47

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

Дослідження впливу старіння на фізико-механічні властивості гумовотехнічних виробів

Мета роботи: ознайомитися з деталями виготовленими з гумових сумішей і їх застосуванням у машинобудуванні, вивчити зміни структури і властивостей гумовотехнічних виробів у результаті старіння.

5.1. Загальні відомості

Гумовотехнічні вироби (ГТВ) застосовують у багатьох галузях машинобудування. Гуми як технічний матеріал відрізняються від інших матеріалів високою еластичністю. Для них характерна здатність до значних зворотних деформацій (відносне видовження може досягати 500 %). Їх висока еластичність зберігається в широкому діапазоні температур. Модуль пружності гум становить 1...10 МПа. Для гумових матеріалів характерна висока стійкість до стирання, газо- і водонепроникність, хімічна стійкість, невелика густина.

5.1.1. Класифікація гум і їх призначення

Гуми поділяються на дві основні групи – загального і спеціального призначення. Фізико-механічні властивості гум наведено в таблиці 5.1.

Гуми загального призначення виготовляють на основі натурального каучуку, бутадієнових, ізопренових, бутилкаучуків і їх комбінацій. Ці гуми працездатні в інтервалі температур від 35 до 150°С в воді, повітрі, слабких розчинах кислот і лугів. Основними областями їх застосування є виготовлення шин, конвеєрних стрічок, приводних пасів.

Гуми загального призначення випускаються у вигляді пластин, листів, рулонів.

Таблиця 5.1 – Фізико-механічні властивості гум

49

Гуми спеціального призначення підрозділяються в залежності від їхнього застосування:

1.Теплостійкі гуми. Їх виготовляють на основі етилен-пропіленових

ібутилкаучуків. Вони працездатні при температурі до 150-200°С.

2.Морозостійкі гуми виготовляють на основі каучуків з низькою температурою переходу в склоподібний стан (кремнійорганічних, бутадієнових).

3.Масло- і бензостійкі гуми виготовляють на основі бутадіеннітрильних, полісульфідних, уретанових, хлорпренових і фтормістских каучуків. Вони працездатні при тривалому контакті з нафтопродуктами і рослинними мастилами.

4.Гуми, стійкі до дії агресивних середовищ (кислот, лугів, озону) виготовляють на основі бутилкаучука, бутадіен-нітрильних, кремнійорганічних, фтормістстких, хлорпренових, акрилатних каучуків.

5.Радіаційно стійкі гуми одержують із фтормістящих, бутадіеннітрильних і бутадієн-стирольних каучуків.

5.1.2. Експлуатаційні властивості гум

Механічні властивості гум характеризують: границя міцності при розтягненні (fp ), відносне видовження при розриві (εр) опір роздиранню (У), відносне залишкове видовження (θр), умовне напруження (fε), при заданому відносному подовженні (ε) в процесі розтягнення з заданою швидкістю, а також твердість (Н).

Термін служби багатьох гумових виробів пропорційний міцності при розтягненні й опору роздиранню. Довговічність більшості гумових силових і протиударних виробів (опор, патрубків, амортизаторів) збільшується при підвищенні їх міцності.

Твердість це один з основних критеріїв при виборі гуми для виготовлення конкретного ГТВ. Під твердістю розуміють опір деталі деформації.

Морозостійкість гум оцінюють температурою переходу їх в крихкий стан. При низьких температурах знижуються і навіть цілком втрачаються високоеластичні властивості, відбувається перехід у склоподібний стан і зростання твердості гуми в тисячі і десятки тисяч разів. Властивості гум при низьких температурах істотно поліпшуються за рахунок введення пластифікаторів.

Теплостійкість визначає здатність виробів з гуми зберігати свої фізико-механічні властивості при підвищенні температури. Термо-

50

стійкість характеризує також опір термічному старінню, у процесі якого відбувається зміна хімічної структури гуми.

Радіаційна стійкість гум характеризується значенням граничної поглиненої дози, що відповідає заданій абсолютній чи відносній зміні показників властивостей в результаті опромінення. Для підвищення радіаційної стійкості гум вводять захисні домішки – антиради (найбільше часто, діаміни).

Найважливішими характеристиками гум багатьох типів є їх зносостійкість і коефіцієнт тертя. Інтенсивність і швидкість зношування гум різко зростає при температурі вище 150°С. Однак при температурі 100°С и помірних контактних тисках гуми більш зносостійкі ніж сталь. З них виготовляють покриття канатів. жолобів, стрічок, що здійснюють транспортування гірських порід.

Підшипники з гуми використовують у глибинних артезіанських та бурових насосах. Гумові підшипники, що працюють на водяному змащенні, за показниками коефіцієнта тертя (0,01-0,005) і терміну служби не поступаються металевим підшипникам.

Широко застосовують ГТВ в автомобільній і авіаційній промисловостях. У складі механізмів і агрегатів автомобілів використовуються тисячі гумових виробів. У літаках застосовується до 20 тисяч деталей з гум.

У процесі експлуатації гумові вироби піддаються різним видам старіння (світлове, озонне, теплове радіаційне, вакуумне й ін.), яке призводить до зниження їх працездатності. Схильність гуми до старіння виражається коефіцієнтом старіння, який визначається за методом Гіра.

Метод Гіра полягає в випробуванні на розтягнення стандартних зразків з нормальної і штучно зістареної гуми з визначенням границі міцності і відносному видовженні в момент розриву. Коефіцієнт старіння визначають як відношення значення відносного видовження при розриві зістареного зразка (εz′) до значення відносного подовження (εz) не зістареного зразка або по відношенню добутків гумових зразків зістарених σ′zε′z і не зістарених σzεz.

5.1.3. Виготовлення ГТВ

В залежності від конструктивних особливостей ГТВ і технологічних властивостей гумової суміші застосовуються декілька технологічних процесів одержання деталей. Для одержання плоских виробів

51

спочатку прокочують не вулканізовані пластини, а потім вулканізують їх у пресах, що обігріваються. Трубки, стрижні, профілі одержують екструзією гумових сумішей.

5.2. Завдання на підготовку до лабораторної роботі

Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання:

1.Загальна характеристика гум.

2.Склад і класифікація гум.

3.Гуми загального призначення.

4.Гуми спеціального призначення.

5.Вплив факторів експлуатації на властивості гум.

6.Технологія отримання виробів із гум та їх застосування.

5.3.Контрольні запитання

1.Що є основним компонентом гум?

2.Яку будову мають макромолекули каучуку і гуми?

3.Які агенти додають в гуму і як вони впливають на її власти-

вості?

4.На основі яких каучуків виробляють гуми загального при-

значення.

5.На основі яких каучуків виробляють гуми спеціального при-

значення.

6.Яким чином впливає полярність каучука на властивості гум?

7.Які властивості визначають морозостійкість гум?

8.З яких каучуків виробляють теплостійкі гуми?

9.Як полярність каучуків впливає на механічні та ізоляційні властивості гум?

10.Що характеризує теплостійкість гум?

11.Як розрахувати коефіцієнт старіння гум за методом Гіра?

12. .Опишіть технологію отримання гумових виробів.

13. Обґрунтуйте використання різних типів гуми для виготовлення автомобільних шин взимку і влітку.

5.4. Матеріали й устаткування

52

Набір зразків гум і деталей, розривна машина, обладнана піччю.

5.5. Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

5.6. Порядок виконання лабораторної роботи

Ознайомитися зі зразками і деталями з гум. Провести випробування на розрив зразків гуми при температурах вказаних, в табл. 5.2. Результати занести в табл. 5.2.

Таблиця 5.2 – Міцність різних гум при підвищених температурах

5.7. Порядок оформлення звіту

Мета роботи, дати характеристику основних фізико-механічних і експлуатаційних властивостей ГТВ, вказати їх переваги в порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Описати технологію їх виготовлення.

Визначити коефіцієнт старіння гуми за даними, вказаними викладачем, за формулами:

Із застосуванням теоретичних відомостей про природу гумових матеріалів пояснити отримані результати.

Зробити висновки відносно вивчених властивостей гумових матеріалів.

5.8. Література