Свойства веществ и материалов в основных физико-химических процессах

Старение— изменение физико-химических свойств материала, протекающее либо самопроизвольно, в процессе достаточно дли­тельной выдержки при комнатной температуре (естественное старе­ние), либо при нагреве (искусственное старение).

Старение обычно обусловлено недостаточно стабильным со­стоянием материала и постепенным его переходом в стабильное. Старение материала может приводить как к улучшению, так и ухуд­шению отдельных свойств материалов. Во многих случаях техноло­гическими процессами предусматриваются операции искусственного старения материалов с целью улучшения их свойств.

К старению металлов и сплавов относят все процессы изменения во времени их свойств, связанные с превращениями металлов и сплавов в твёрдом состоянии.

Процессы старения обу­словлены метастабильным состоянием сплава в результате техноло­гической обработки, вызывающей искажения кристаллической ре­шетки (например, закалки, наклепа и др.). Старение сопровождается самопроизвольным переходом сплава из метастабильного состояния в стабильное, характеризующееся более низким уровнем внутренней энергии.

При старении полимеровизменяются химический состав, моле­кулярный вес, характер взаимодействия макромолекул и структура, определяющие физико-химические свойства этих материалов (происходит разрыв химических связей) : проч­ность, твердость, пластичность, эластичность, растворимость, элек­трические свойства и другое (каучук, например, размягчается).

Механическое воздействие (например, многократная деформа­ция) ускоряет старение. Влага на старение полимеров действует менее существенно.

Электрическое старение полимерных диэлектриков (снижение электрической прочности, например, в кабелях, конденсаторах, об­мотках электродвигателей) может происходить при достаточно вы­соком напряжении путем ионизации под действием озона и оксидов азота, образующихся при этом. Такое старение протекает при посто­янном напряжении медленнее, чем при переменном напряжении.

В конструкции современных самолетов число резинотехниче­ских изделий составляет более 50 тыс. единиц; в изделиях электрон­ной техники количество неметаллических материалов достигает 60 от общего количества применяемых материалов. Более 60 % из при­меняемых в технике полимерных материалов и лакокрасочных по­крытий разрушаются вследствие старения и биоповреждений или не сохраняют свои свойства.

Изнашивание — процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (детали). Наука, изучающая процессы изнашивания с учетом свойств материалов, в том числе в присутствии смазочных материалов, называется трибологией.

Трение (внешнее трение) — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним. Характеристикой внешнего трения служит коэффициент трения.

Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел (деталей) к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Результат изнашивания, определяемый в установленных еди­ницах (длины, объема, массы и др.) называется износом. Испытания на износ проводят са­мыми различными методами, и следует помнить, что результаты та­ких испытаний несопоставимы.

В технике следует различать моральныйи физический износы.Мораль­но устаревшими считаются машины, конструкции, материалы, если они в результате общего технического прогресса оказываются малопригодными для удовлетворения нужд производства, хотя еще вполне работоспособны. Такой моральный износ здесь не рассматривается.

Изнашивание материалов (изделия) может происходить при скольжении, ударе, качении, скольжении с качением и др., а также под воздействием среды (жидкость, газ и др.). При изнашивании внутри нагруженных областей поверхностного слоя материала воз­буждается целый ряд физико-химических процессов: сорбция, диффу­зия, теплообразование, фазовые превращения и химические реакции. При этом изменяются структура и химический состав материала, а следовательно, и его свойства. В нагруженных областях происходит накопление энергии и могут возникнуть трещины, которые развива­ются и приводят к разрушению материала. Изнашивание всегда свя­зано с потерями энергии, накопленной в материале.

Механизм и величина износа зависят от многих факторов, в том числе:

· от внешних механических воздействий (величины нагрузки, скорости перемещения, температуры в зоне контакта и т.д.);

· от физико-химического действия среды;

· от свойств материалов пар трения.

В зависимости от совокупности этих факторов наблюдаются многочисленные виды изнашивания. По ГОСТ 27674-88 их классифицируют следующим образом:

· механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий;

· усталостное изнашивание – это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъёмов материала поверхностного слоя (может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения); усталостный износ зубчатых колёс, проявляющийся в виде выкрашивания отдельных участков металла, называют питтингом;

· кавитационное изнашивание – это механическое изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создаёт высокое местное ударное давление или высокую температуру;

· коррозионно-механическое изнашивание – изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Характерно для фрикционных муфт, подшипников скольжения, валов, втулок, поршневых колец и т. д. (изнашивание наблюдается, когда в результате трения на самой поверхности толщиной ≈10³нм образуется вторичная структура, содержащая большое количество оксидов. Под вторичной структурой располагается сильно деформированный слой материала с высокой плотностью дислокаций толщиной до нескольких микрометров). Этот вид изнашивания имеет в технике наибольшее распространение;

· изнашивание при фреттинг-коррозии - коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел, возникает при очень малых колебательных перемещениях сопряжённых поверхностей при деформациях и люфте (у посадочных поверхностей корпусов, валов, втулок, подшипников качения, болтовых соединений);

· окислительное изнашивание - коррозионно-механическое изнашивание возникает в результате химического взаимодействия материала с кислородом или окисляющей окружающей средой путём среза непрерывно возобновляющихся окисных плёнок;

· абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твёрдых тел или частиц, попадающих в зону контакта (характерно для многих деталей горных, буровых, дорожных машин, горного инструмента, рештаков скребковых конвейеров, зубьев звёздочек и многих других деталей);

· гидроабразивное (газоабразивное) – абразивное изнашивание в результате воздействия твёрдых тел или твёрдых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа); этот вид изнашивания характерен для деталей гидрооборудования (плунжерные пары и др.);

· эрозионное – изнашивание поверхности под влиянием механических воздействий твёрдыми частицами в потоке жидкости или газа;

· заедание – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряжённую поверхность (повреждение поверхности в результате действия молекулярных сил и механического воздействия).

 

В постоянных условиях трения имеют место три стадии изнашивания: период приработки, при котором происходит интенсивное изнашивание; период установившегося износа и период катастрофического износа.

На производстве износ деталей определяют по содержанию продуктов изнашивания в смазочном материале (химическим анализом); методом микрометрических измерений детали до и после изнашивания; методом поверхностной активации, основанном на снижении радиоактивности при изнашивании детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объём толщиной до 0,4 мм путём облучения заряженными частицами и т. д.

Характеристикой изнашивания служит износостойкость.

Износостойкость (износоустойчивость) — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Износостойкость определяется сочетанием свойств трущихся материалов; качеством контактирующих поверхностей (чистота по­верхности, смазка); характером движения (скольжение, качение, уда­ры, течение); скоростью взаимного перемещения; уровнем нагрузки; отводом отделяющихся частиц (продуктов износа) или присутствием частиц какого-либо другого материала, осложняющего трение.

Износостойкость чистых металлов пропорциональна их твер­дости, но в сплавах эта зависимость может не выполняться.

Коррозия — самопроизвольное разрушение веществ, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на их поверхности, при взаимодействии с внешней средой. Среду, разру­шительно действующую на материал, принято называть агрессивной.

Коррозионному разрушению подвержены металлы, бетон, строительный камень, дерево, некоторые пластмассы и другие конст­рукционные и строительные материалы. Специфической особенно­стью коррозии является то, что она может происходить как при функционировании, так и при хранении изделий.

Важнейшими характеристиками коррозии являются ее ско­рость и коррозионная стойкость материалов.

Скорость коррозии — масса вещества, превращенная в продук­ты коррозии, сединицы поверхности материала в единицу времени.

На скорость коррозии оказывают влияние внутренние и внеш­ние факторы. К внутренним факторам относятся химический состав, структура материала, состояние его поверхности, наличие напряжений и др., причем с увеличением неоднородности состава и структуры наблюдается возрастание скорости коррозии. К внешним факторам относятся вид и состав окружающей среды и условия, при которых протекают физико-химические процессы (температура, давление, скорость потока агрессивной среды и др.). В промышленной атмо­сфере по данным многих исследований скорость коррозии исполь­зуемых материалов составляет в среднем 575 г/ м² в год. Ежегодные потери, например, США от коррозии оцениваются более чем в 100 млрд дол.

Коррозионная стойкость— способность вещества сопротив­ляться химическому и электрохимическому воздействию среды, то есть разъеданию или частичному растворению. Коррозионная стой­кость материала определяется по величине скорости его коррозии.

Различают следующие виды коррозии: по характеру взаимо­действия со средой; по геометрическим характеристикам мест разру­шения; по типу коррозионной среды и по характеру дополнительно воз­действующих факторов.

По механизму взаимодействия со средой выделяют химическую и электрохимическую коррозии.

Химическая коррозия возникает в сухих газах (газовая коррозия) и не­электролитах (средах, не проводящих электрический ток: нефти и её производных - в бензине, бензе­ле и др.). Процесс химической коррозии сопровождается образованием ок­сидов, гидрооксидов и других соединений, которые могут оставаться на поверхности материала в виде пленок, в том числе защищающих материал от дальнейшего действия агрессивной среды.

Электрохимическая коррозия протекает в средах, проводящих элек­трический ток (в электролитах – водных растворах солей, солей, кислот, щелочей), и ее протекание описывается законами электрохимической кинетики.

По геометрическим характеристикам мест разрушения корро­зию характеризуют по месту протекания как объемную и поверхност­ную, а по степени охвата (локализации) как сплошную, местную, ни­тевидную, точечную, избирательную и др. Так, точечная коррозия может дать начало подповерхностной коррозии, распространяющейся в стороны под очень тонким слоем поверхности вещества, который затем вздувается пузырями или шелушится. Этому виду коррозии подвержены в определенных условиях, например в морской воде хромоникелевые стали с добавкой молибдена.

По типу коррозионной среды различают атмосферную (коррозия в атмосфере – тропической, морской, промышленной), газовую (коррозия в газе при высоких температурах), жидкостную (в природных водах, щелочах, органических растворителях и др.), морскую, почвенную, подземнуюи другие виды коррозии.

По характеру дополнительно воздействующих факторов рас­сматривают процесс коррозии при трении (коррозионная эрозия), поднапряжением (коррозионное растрескивание и коррозионная уста­лость), контактную и щелевую (в зазорах) коррозии и др.

По характеру коррозионных дефектов различают поверхностнуюи структурно-избирательную коррозию. При поверхностной коррозии окисление может быть равномерным и неравномерным – в виде пятен, язв. Наиболее опасна структурно-избирательная коррозия, которой подвержены металлические сплавы; например, межкристаллитная коррозия – коррозия по границам зёрен, коррозия по зонам термического влияния сварных соединений, избирательное растворение менее стойкого компонента сплава.

Для обеспечения коррозионной стойкости (уменьшения скорости коррозии) используют в ос­новном два метода: отделение материала от агрессивной среды (кон­структивные методы) и придание среде нужных антикоррозийных свойств (технологические методы). К конструктивным методам отно­сятся различные способы предохранения от проникновения агрессив­ных сред, а также способы электрохимической защиты, а к техноло­гическим — защитные покрытия, упрочнение поверхности, использо­вание ингибиторов (веществ, исключающих или замедляющих коррозию) и др.

Защитные покрытия наносят на поверхность изделий из различных материалов для предотвращения коррозии, придания им декоративного вида, создания специальных поверхностных свойств (электропроводности, теплопроводности, электроизоляционных, магнитных и немагнитных свойств, светоотражающей и светопоглощающей способности, износо­стойкости и др.). Для защиты от коррозии используются металлические, неметаллические неорганические (оксидные, фосфатные, фторидные и др.) и органические, лакокрасочные и другие защитные покрытия (полимерные, керамические).

Защитные покрытия по условиям эксплуатации делят на группы: лег­кие — Л; средние — С; жесткие — Ж; очень жесткие — ОЖ. Эти покрытия классифицируют по способу получения, материалу, физико-химическим и декоративным свойствам. Технология нанесения покрытий и методы кон­троля их качества приведены в ГОСТ 16976—71.

Защита материалов от коррозии решается во всех странах на государственном уровне. В общей системе мер по борьбе с коррозией важная роль принадлежит стандартизации. В Российской Федерации все мероприятия по защите материалов от коррозии установлены в действующих государственных стандартах, объединенных в систему - «Единая система защиты от коррозии и старения материалов и из­делий» (ЕСЗКС). В настоящее время в этой системе действуют 225 го­сударственных и межгосударственных стандартов. Эти стандарты - концентрированный итог выполнения более 2 тыс. НИР и ОКР, а также результат работ по их гармонизации с международными и на­циональными зарубежными стандартами. По оценке специалистов, широкое применение уже имеющихся способов защиты от коррозии, включенных в международные и государственный стандарты ЕСЗКС, позволяет сократить ущерб от этого вида разрушения на 10—15 %.

Технологические свойства материалов определяют возможность получения заготовок и деталей выбранными методами и способами при условии обеспечения минимума затрат на конечный продукт – минимальной трудоёмкости, материалоёмкости, а также обеспечения экологии и эргономики.

К технологическим свойствам материалов относят свойства, определяющие возможности их литья, обрабатываемости давлением и резанием, свариваемости, упрочняемости, восприимчивости к закалке и др.

Рассмотрим наиболее распространенные технологические свойства.

Литейные свойства – это способность жидких материалов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки.

Литейные свойствахарактеризуются жидкотекучестью материала, его усадкой и ликвацией.

Жидкотекучесть – способность материалов заполнять полости литейной формы и точно воспроизводить очертания этой формы. Определяется в соответствии с ГОСТ 16438-70 по спиральной пробе. Материал заливается в форму, имеющей вид спирального прутка, и жидкотекучесть оценивается длиной в сантиметрах части канала, залитого сплавом.

Усадка– свойство материала уменьшаться в линейных размерах и в объёме от температуры заливки до комнатной. С усадкой связано появление в отливках усадочных раковин, пористости, рыхлости, коробления, трещин. Усадка определяется по ГОСТ 16817 – 71.

Ликвация– это неоднородность химического состава сплава, возникающая при кристаллизации. Может возникнуть из-за разности температур затвердевания различных составляющих и разной плотности сплавов; в чугуне и стали ликвируют сера, фосфор, углерод, располагаясь в верхней и нижней частях отливок; в сплавах, содержащих тяжёлые металлы (свинцовые бронзы). Такая ликвация предотвращается перемешиванием сплава перед заливкой и ускоренным охлаждением при кристаллизации.

Обрабатываемость давлениемв горячем и холодном состояни­ях оценивают: различными технологическими пробами (на осадку, изгиб, вытяжку сферической лунки и др.); характеристиками пла­стичности, твердости и упрочнения материала при температуре обра­ботки. Среди характеристик обрабатываемости давлением использу­ют, например, ковкость.

Ковкость— способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, волочению, прессованию, штамповке). Характеризуется пластичностью и сопротивлением деформа­ции.

Обрабатываемость резаниемметаллов и сплавов характеризуется качеством обработки (оценивается скоростью затупления резца при точении на заданных режимах реза­ния с обеспечением необходимых параметров шероховатости по­верхности и выражается в процентах от обрабатываемости стандарт­ного материала). На основании данных об обрабатываемости различ­ных материалов составляются нормативы режимов резания или рекомендации по выбору режимов резания для конкретных условий обработки.

Обрабатываемость камняоценивается их податливостью ме­ханическому, термическому, электрическому и другим воздействиям для придания им необходимой формы, размеров и фактуры. В каче­стве показателя обрабатываемости камня используют коэффициент обрабатываемости, представляющий собой отношение трудозатрат при обработке единицы продукции из данного вида камня к анало­гичному показателю, соответствующему эталонному материалу. В за­висимости от вида воздействия выделяют конкретные характеристи­ки обрабатываемости: пилимость, полируемость, истираемость, шлифуемость и др. Общепринятого метода оценки обрабатываемо­сти камня не существует.

Свариваемость— способность материала образовывать не­разъемные соединения с требуемыми механическими характеристи­ками. Ее оценивают сравнением свойств основного материала со свойствами сварных соединений, количеством способов сварки, диа­пазоном допускаемых режимов сварки и др. Свариваемость считается тем выше, чем больше способов сварки может быть применено, шире пределы допускаемых режимов сварки. Для технологической оценки свариваемости определяют структуру, механические свойства и склон­ность к образованию трещин материала шва и околошовной зоны.

Надежность сварного соединения— это свойство сварных уча­стков выдерживать в течение длительного времени комплексное нагружение, которое обычно воздействует на соответствующую деталь или сварную конструкцию. Испытания проводят на специальных об­разцах, а наиболее жесткие условия испытаний создаются путем вы­бора соответствующей формы образца и типа нагружения.

Испытания технологических свойств (технологические испы­тания) относятся к самым старым видам испытаний материалов. От­личительной их чертой является определение возможности примене­ния материала в данном способе производства или для специальных целей использования. При этом в отличие от других методов испыта­ния определяются не отдельные значения свойств с минимальной по­грешностью измерения, а оценивается общее состояние материала.

С повышением степени стандартизации для методов техноло­гических испытаний в настоящее время установлены строго опреде­ленные нормы, которые связаны с той или иной технологией произ­водства. Информацию о методе технологического испытания для конкретного материала можно получить в ежегодном Указателе го­сударственных стандартов.