ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МАТЕРИАЛОВ
По составу материалы делят на:
• металлические материалы;
• материалы на основе высокомолекулярных соединений;
• неметаллические неорганические материалы;
• керамические материалы;
• композиты
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлические материалы, как правило, обладают высокой тепло- и электропроводностью, механической прочностью, вязкостью, упругостью и хорошей пластичностью в сочетании с технологичностью обработки (ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими инструментами, существенные изменения эксплуатационных свойств в результате термической и химико-термической обработки). Наиболее распространенными являются металлические сплавы на основе железа (сталь и чугун), алюминия, магния, меди (бронза, латунь), никеля и хрома. Практически все переходные металлы и лантаниды, а также многие непереходные металлы выступают в качестве компонентов сплавов. Если металлы и сплавы в ряде случаев и уступают свои позиции неметаллическим материалам, то это связано в первую очередь с коррозией металлов, т.е. с их химическим разрушением под действием окружающей среды. Коррозии подвергаются и любые неметаллические материалы (например, полимеры, керамика и стекла), но чаще всего говорят о коррозии металлов, так как она наносит максимальный вред из-за относительно высокой скорости этого процесса, значительной стоимости металлических конструкций и ограниченности природных ресурсов металлов. Например, каждая шестая домна в России работает, чтобы возместить прямые потери металлов от коррозии.
Среди металлических материалов особое положение занимают сплавы на основе железа. Сплавы железа с содержанием углерода до 2 % принято называть сталью, а свыше 2 % – чугуном. Используемые в настоящее время в промышленности стали обычно делят на углеродистые и легированные.Создание новых и интенсификация существующих промышленных процессов заставляет все больше использовать легированные стали, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью. Доля средне- и высоколегированных сталей в настоящее время составляет 20 % от общего количества производимых промышленностью черных металлов. Для легирования используют такие элементы, как никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, кобальт, марганец, медь, титан, алюминий. Сплавы железа с хромом составляют основу нержавеющих сталей, среди которых различают хромистые (Fe-Сr), хромоникелевые (Fе-Ni-Сr) и хромоникельмарганцевые (Fе-Сr-Ni-Мn). В зависимости от микроструктуры материала стали подразделяют на перлитные, мартенситные, аустенитные, ферритные и карбидные.
Несмотря на открытие и массовое применение значительного числа новых неметаллических материалов, металлы по-прежнему играют огромную роль в промышленности и в технике. Так, за последние 20 лет мировое производство меди увеличилось примерно в 2,3 раза, железа – в 2,7, никеля – в 4, алюминия – в 4,7, титана – в 17 раз. Очевидно, что и в будущем объемы производства металлов по-прежнему будут расти. Если представить себе, что среднегодовое потребление стали во всем мире приблизится к уровню развитых стран (примерно 500 кг на душу населения), и допустить, что дальнейшего роста объемов потреблений в этих странах не будет, то и тогда на земном шаре будет производиться около 2,5 млрд. т стали ежегодно. Такие примеры можно привести и применительно к цветной металлургия, которая производит металлы, требующие значительно больших количеств руды, электроэнергии, топлива и воды на тонну выпускаемой продукции.
Одной из основных задач развития материаловедения в области металлов является улучшение их качества. С этой точки зрения важное значение приобрела порошковая металлургия, в основу которой положено производство металлических порошков и спеченных из них изделий. В современной порошковой металлургии можно выделить два основных направления:
1. создание материалов и изделий с такими характеристиками (состав, структура, свойства), которые в настоящее время невозможно достичь известными методам и плавки;
2. изготовление традиционных материалов и изделий при более выгодных технико-экономических показателях производства.
Обработкой металлических порошков удается достичь важных для практических целей свойств материалов. Например, корольки плавленого вольфрама, которые получают в инертной атмосфере в вольтовой дуге, хрупки из-за присутствия различных примесей, в том числе межкристаллитных оксидных пленок, образующихся при застывании металла. Прессованием порошков вольфрама и последующим спеканием изделий в атмосфере водорода изготавливают прочные металлические бруски, которые можно ковать, катать из них листы, штамповать при нагревах ниже температур рекристаллизации.
Немаловажную роль в повышении качества металлических материалов играет разработка новых, в том числе жаростойких сплавов. Например, если в 50-х годах авиационный газотурбинный двигатель на 20 % изготавливали из алюминиевых сплавов, на 71 % из стали и на 9 % из никелевых сплавов, то спустя четверть века, алюминиевых сплавов осталось лишь 2 %, стали – 4 %, тогда как титановые сплавы составили 28 %, а количество никелевых сплавов, из которых выполняют основные несущие детали двигателя, увеличилось до 66 %.
Особо следует выделить сплавы, созданные на основе бинарной системы Тi–Ni. Интерметаллид Ni-Тi, обладающий памятью формы, имеет структуру CsCI, которая при температуре ниже 1100С подвергается обратимому мартенситовому превращению с образованием ромбоэдрических доменов. Температуру указанного превращения можно регулировать путем допирования сплава (введение Рd повышает Тм, а введение Fе, Сr или избытка Ni – напротив, понижает Тм). Сплав, открытый американскими исследователями в 1963 г., назвали «нитинол»: «ни» и «ти» – символы Ni и Тi, а «нол» – сокращенное название лаборатории, где работали авторы. Нитинолу можно придать любую форму, например, спирали, а затем стабилизировать ее кратковременным нагреванием. Нитинол «запоминает» первоначальную форму, даже если его после этого подвергнуть холодному формованию. При нагревании изделие вновь принимает форму спирали. Широкого применения нитинол пока не нашел. Но предполагают, что он может быть использован в качестве антенн космических кораблей и других устройств для работы в космосе, которые должны принимать заранее заданную форму, когда на них попадает интенсивное солнечное излучение. Уникальное сочетание памяти формы с высокой способностью к деформации и коррозийной устойчивостью открыло путь к использованию нитинола в качестве имплантата в хирургической практике. Эффект сверхупругости и запоминания формы в сплавах был предсказан академиком Г.В. Курдюмовым еще в 1948 г. («эффект Курдюмова»).
МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Все неметаллические материалы делят на две группы – органические и неорганические. В каждой из этих групп выделяют природные и синтетически (искусственные) материалы. В группе органических материалов и те, и другие являются полимерами, т.е. высокомолекулярными соединениями.
Среди природных органических материалов важнейшим является древесина, потребление которой (свыше 1 млрд. т) заметно превосходит потребление стали. Сухая древесина на 40-50 % состоит из линейного полимера – целлюлозы, на 25 % из родственных ей соединений (гемицеллюлозы) и на 25 % из высоковязкой жидкости – лигнина. Каждая молекула целлюлозы содержит до 5000 колец глюкозы, соединенных атомами кислорода. Из молекул целлюлозы образованы и волокна, которые формируют стенки трубчатых клеток. Основной способ переработки дерева – традиционно был связан с изготовлением пиломатериалов. Часть древесины шла на получение технической целлюлозы для бумажной промышленности (80 %) или химических волокон (20 %). Но развитие химии и химической промышленности изменило традиционные способы использования древесины. Например, изготовление древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит стало возможным благодаря широкому применению фенол- и мочевиноформальдегидных смол. Только в мебельной промышленности средний мировой уровень потребления древесно-стружечных плит составляет сейчас почти 50 %. Остальная часть продукции идет в строительство. При обработке аммиаком древесина становится пластичной, из нее можно прессовать различные профили.
К природным материалам органического происхождения помимо древесины можно отнести битумы и смолы, применяемые как антикоррозионные средства. Ферментация целлюлозных компонентов древесины открывает путь к получению глюкозы и многих других химически ценных продуктов и материалов.
Важнейшими видами синтетических полимерных материалов являются пластмассы, эластомеры, химические волокна и полимерные покрытия.
Из 50 видов производимых в настоящее время пластмасс 2/3 являются термопластами (обратимо размягчаются и твердеют с изменением температуры), а остальные реактопластами (не размягчаются при нагревании). Доля термопластов в производстве полимеров непрерывно растет, и ожидается, что в ближайшие годы она достигнет 75 %. Термопласты можно обрабатывать и перерабатывать методами литья под давлением, вакуумной формовкой, профильным прессованием или простой формовкой. К таким пластмассам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и так называемые АБС-сополимеры.Последние являются продуктами сополимеризации акрилонитрила (А), бутадиена (Б) и стирола (С). Первый обусловливает химическую устойчивость продукта, второй сообщает ему сопротивление удару, а третий делает материал твердым и термопластичным. Термическое поведение подобных пластиков можно регулировать введением наполнителей, например полифосфатов. Но наилучших результатов достигают введением специальных мономеров (полифенилсульфиды, ароматические полиэфиры, модифицированные фторполимеры). Со временем будут созданы пластмассы, конкурирующие по термостойкости с алюминием, но вероятность достичь термостойкости стали мала. Пластмассы, применяемые в качестве материалов, как правило, имеют сложный состав и включают, по меньшей мере, три группы веществ:
1. основу или связующий материал (искусственные полимерные смолы);
2. пластификатор, способствующий переходу материала в тестообразное состояние;
3. наполнитель, придающий механическую прочность, твердость и термостойкость (древесная мука, измельченный асбест, стекловолокно, графит).
В отдельных случаях в композицию вводят стабилизаторы, предохраняющие пластмассы от разложения в процессе переработки при световом или тепловом воздействии.
Синтетические высокомолекулярные материалы выгодно отличаются от металлов высокой устойчивостью в агрессивных средах, низкой плотностью, высокой стойкостью к истиранию, хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свойствами, способностью поглощать и гасить вибрацию, простотой изготовления деталей и аппаратов сложной конструкции. Некоторые полимеры характеризуются высокой стойкостью к низким температурам (вплоть до температуры жидкого азота), а другие – исключительными водоотталкивающими свойствами. Недостатком многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции – процессу уменьшения длины цепей и размеров макромолекул. Деструкция может быть инициирована механическими нагрузками, действием света, тепла, воды, ультразвука, особенно кислорода и озона. Большинство конструкционных материалов на органической основе нельзя применять при температурах выше 150-200 °C и в контакте с различными агрессивными средами, например с азотной кислотой. Органические растворители, такие как ацетон, сероуглерод, хлороформ, бензин и некоторые другие, также оказывают разрушающее действие на многие полимерные материалы.
Конец ознакомительного фрагмента.