ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Образование структур в некоторых твердых телах из "Курс коллоидной химии" Рассмотрим подробнее механизмы образования и регулирования механических свойств твердых материалов на конкретных методах получения таких материалов, как металлы и сплавы, керамика, бетон, пластические массы. [c.386] Структуру типичного слитка металла (сплава), затвердевшего в изложнице, иллюстрирует рис. VII. 17. Наружный слой металла, который соприкасается со стенками изложницы и охлаждался в первую очередь, формируется из большого числа мелких зерен. За ним следует слой вытянутых к центру слитка столбчатых кристалликов. Такая форма кристаллов объясняется тем, что скорость их роста наибольшая в направлении, противоположном направлению теплового потока. В средней части слитка обнаруживаются крупные беспорядочно ориентированные кристаллы. В этой части слитка находится основная масса примесей, которые концентрируются здесь при криста л л изацшгтлёТйл л а, н а чин ающейся с его поверхности. [c.387] Необходимы механически свойства металлов и сплавов достигаются введением в расплав легирующих добавок. Добавки стабилизируют кристаллическую фазу зерна, образуют твердые растворы с основным компонентом расплава и способствуют образованию новой дисперсной фазы. Появление твердых растворов между зернами структуры может увеличить ее пластические свойства. Упрочняющее действие возникающих дисперсных фаз при введении легирующих добавок можно проиллюстрировать образованием в хромоникелевых сплавах при добавлении титана и алюминия кристалликов NisTi и NisAl, которые сильно взаимодействуют с твердым раствором сплава. Высокое содержание никеля и хрома в стали обеспечивает получение устойчивой аустенитной кристаллической структуры зерен (у-фаза), обладающей наибольшей жаропрочностью. [c.387] Образование зародышей происходит, как правило, на поверхности частиц наполнителя (гетерогенная конденсация), причем с большей вероятностью в местах контакта между этими частицами (отрицательная кривизна поверхности увеличивает пересыщение). Срастание частиц в кристаллизационную структуру начинается с появлением контактных зародышей — мостиков между образовавшимися кристалликами двухводного гипса или между частицами наполнителя. Рост этих зародышей увеличивает площадь контактов между частицами и тем самым прочность структуры. [c.388] Большое разнообразие механизмов образования конденсационно-кристаллизационных структур характерно для материалов, процесс получения которых заканчивается спеканием. Процессы спекания лежат в основе технологии керамики, а также порошковой металлургии. Предварительной операцией является формование изделия, включающее составление и получение масс с коагуляционной структурой для изготовления изделий заданной формы и определенного качества. [c.388] В технологии керамики более распространены мокрые способы формования, в порошковой металлургии — сухие. При мокром способе материал для формования представляет собой сырую (от 15 до 35% воды) массу с текучими илн пластическими свойствами. При большом количестве влаги суспензию (шликер) заливают в формы из гипса, которая впитывает воду (шликерное литье). После заполнения формы и подсушки сформованное изделие легко отстает от формы. Для обеспечения большей текучести массы, плотности и прочности изделия поверхность частиц суспензии лиофили-зируют, добавляя щелочные электролиты или некоторые органические вещества (понизители вязкости). Если содержание воды не превышает 25%, сырая масса обладает пластичностью и ее формование не представляет трудностей. Эта операция может быть выполнена как вручную, так и с помощью формовочных машин. [c.388] Сухие способы применяют для формования непластичных керамических масс и иорошков, имеющих влажность до 15%. Эти способы заключаются в прессовании масс в форме под высоким давлением. Энергия расходуется на уплотнение заготовки благодаря деформации частиц и их смещению в поры, а также на преодоление сил трения между частицами и о стеики формы. Прн повышении давления увеличивается плотность материала и площадь контакта между частицами (примерно пропорционально). Чем больше иоверхность контакта, тем сильнее связь между частицами. Для упрочнения заготовки иногда добавляют в нее некоторое количество связующего. [c.389] Процесс спекания можно определить как самопроизвольный процесс ликвидации дефектов и заполнения пор, протекающий в порошках и пористых телах. Главная движущая сила этого процесса — избыточная поверхностная энергия. Спекание начинается при небольших температурах со стадии протекания химических реакций на поверхностях и границах раздела твердофазных реакций. У металлических порошков обычно происходит восстановление оксидных пленок, что обеспечивает непосредственный контакт между частицами металла. С повышением температуры увеличивается давление паров вещества, которые конденсируются в соответствии с уравнением Кельвина в зонах контактов частиц, где имеется отрицательная кривизна поверхности. Скорость переноса вещества в этом случае определяется различными видами диффузии, характерными для пористых тел. [c.390] При дальнейшем повышении температуры материал может приобретать пластичность, что приводит к деформированию структуры даже под действием силы тяжести. Эту стадию спекания легко зафиксировать по резкому уменьшению объема тела. Пластическую деформацию можно вызвать и при более низких температурах, применив прессование при высоком давлении, что широко используется в порошковой металлургии. Таким образом, материал спекается тем легче, чем он пластичнее при температуре спекания. Различные материалы по-разному проявляют способность к пластическим деформациям. Например, железо уже при температуре, составляющей /з от температуры плавления, пластически деформируется под действием силы тяжести лед даже при температуре плавления проявляет хрупкие свойства. Поэтому чтобы вызвать пластическую деформацию, нередко при спекании необходимо достигать температур, близких к точке плавления (она может понижаться с ростом дисперсности). Оплавление пористого тела в первую очередь происходит с внеишей его поверхности. Так как заготовка, представляющая собой пористое тело, хорошо смачивается собственным расплавом, то последний по мере появления сразу же проникает внутрь пористого тела под действием капиллярных сил. Этот процесс заканчивается, когда все поры окажутся заполненными. [c.390] Описанная структура полимера ведет себя подобно коагуляционной структуре. Сходство в поведении этих структур заключается в том, что для них характерны химические связи внутри частиц и на порядок меньше межчастичные взаимодействия. С увеличением полярности макромолекул уменьшается их гибкость, а для межмолекулярных взаимодействий становятся характерными все три типа сил Ван-дер-Ваальса. Наличие таких функциональных групп, как 0Н, —СООН, —ЫНг, обусловливает возникновение более прочных водородных связей. С ростом межмолекулярного притяжения полимер превращается в более твердое, менее эластичное и даже хрупкое вещество, теряющее плавкость и растворимость. Полимеры с химическими связями между макромолекулам (пространственные) нерастворимы и неплавки при нагревании. По свойствам они соответствуют конденсационным структурам. [c.391] Механические свойства полимеров зависят не только от их химической природы, степени сшивки пространственной сетки, но и от ориентации макромолекул и надмолекулярных структур, пластификации, степени наполнения и др. Ориентирование цепей макромолекул и надмолекулярных структур приводит к анизотропии свойств полимера. Обнаруживается резкое увеличение его прочности Б направлении ориентации. Этот факт широко используется в процессах прядения волокон и получения пластических масс. Ориентирование макромолекул способствует кристаллизации и увеличению хрупкой прочности полимера. [c.391] В качестве пластификаторов применяют низкомолекулярныо растворители, которые прн иведении в полимер распределяются между макромолекулами илн между надмолекулярными структурами в зависимости от качества растворителя — пластификатора. В результате уменьшается когезия между макромолекулами, образуется подвижная структура, обладающая малой вязкостью и высокой эластичностью. [c.391] Вернуться к основной статье