1. Які матеріали оточують вас у повсякденному житті?
2. Які конструкційні матеріали вам відомі?
3. Пригадайте, які матеріали ви вже використовували для виготовлення виробів.
Один з найважливіших напрямів, що визначають розвиток усіх галузей промисловості, будівництва, медицини, сфери послуг, - це використання нових матеріалів. Тому зміна укладу життя людства пов’язана з відкриттям та освоєнням виробництва нових конструкційних матеріалів. Матеріали - це «щаблі» нашої цивілізації, а нові матеріали - це «трамплін» для стрибка в майбутнє, реалізації задумів прийдешнього, що змінить вигляд нашого буття.
Сьогодні для виготовлення деталей виробів використовують різноманітні конструкційні матеріали: деревину, метал, пластичні маси, скло, тканину тощо. Більшість матеріалів, що використовують у виробництві, -природного походження. Однак природну сировину можна в певний спосіб обробити, сполучити з іншими речовинами і в результаті отримати нові штучні або синтетичні конструкційні матеріали.
Кожен конструкційний матеріал повинен мати певні властивості, що відповідали б умовам його використання: за низьких та високих температур, у глибинах океану чи космічного простору тощо.
Властивість матеріалу - це його здатність певним чином реагувати на вплив іззовні. Реакція матеріалу на такий вплив залежить від його хімічного складу і структури.
Будову природних матеріалів обумовлюють особливості їх походження й умови утворення, а штучних - технологія їх виробництва та обробки. Усім конструкційним матеріалам притаманні технологічні та експлуатаційні властивості.
Технологічні властивості проявляються в процесі виготовлення, переробки та використання матеріалів і виробів з них. Такими властивостями, наприклад, є здатність матеріалів піддаватись різанню, згинанню, точінню, шліфуванню, поліруванню тощо. Технологічні властивості мають велике практичне значення, оскільки від них залежить якість продукції.
Експлуатаційні властивості конструкційних матеріалів - це їх здатність упродовж визначеного терміну задовольняти певні вимоги. До таких властивостей належать зносостійкість (гальмівні колодки колеса автомобіля), термостійкість (захисний костюм пожежника), водонепроникність (костюм водолаза) тощо.
Однак у багатьох випадках використання сировини з природних матеріалів на дає змоги конструювати вироби з наперед визначеними властивостями. Наприклад, коли потрібно виготовити скло, яке було б так само прозорим, як і звичайне, але міцним. Для цього використовують так зване ламіноване скло, між шарами якого прокладають спеціальну полімерну плівку або металеву сітку (армоване скло). Таке скло має високу прозорість і є надзвичайно міцним (мал. 2).
Штучно виготовлені матеріали, які складаються з двох і більше компонентів і виявляють сукупність властивостей, притаманних кожному компоненту, називають композиційними матеріалами, або композитами.
Композити - це нові конструкційні матеріали, які виготовляють, поєднуючи кілька природних або штучних матеріалів. Таке поєднання може бути виконано у вигляді конфігурації однорідних сировинних матеріалів. При цьому кожен із компонентів зберігає свої властивості. З композиційних матеріалів виготовляють деталі для газового та нафтового обладнання, побутової, авіаційної техніки, електроарматуру тощо.
Багато композитів перевершують традиційні матеріали і сплави за своїми механічними властивостями, і водночас вони легші. Використання композиційних матеріалів зазвичай дозволяє зменшити масу конструкції зі збереженням чи навіть поліпшенням її механічних характеристик.
Композитам притаманні такі ознаки:
- хімічний склад і геометрична форма визначаються заздалегідь;
- кількість компонентів повинна бути такою, що забезпечувала б отримання визначених властивостей;
- між окремими компонентами, які мають різні властивості, існують роздільні межі.
У композиційних матеріалів один компонент пластичний (зв’язувальна речовина, або матриця), а другий має високу міцність (зміцнювач, або армувальний компонент). Таким чином, у композиційному матеріалі кожний компонент відіграє свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач - міцність матеріалу.
Матеріали матриці та армувальних компонентів не повинні вступати в хімічні взаємодії та утворювати хімічні з’єднання. Зміна їхніх розмірів за нагрівання або охолодження повинна бути однаковою, оскільки в іншому випадку такі композити будуть піддаватися механічному руйнуванню.
Матричним матеріалом композитів можуть бути метали, сплави, пластичні маси, кераміка, скло тощо. Армувальні компоненти - волокнисті матеріали різної природи, сітки з пластичних мас, металів, сплавів. За видом армувального матеріалу композити поділяють на три групи: дис-персно-зміцнені, волокнисті та шаруваті.
Залежно від матеріалу матриці композити поділяють на полімерні пластики, металокомпозити, композити з керамічною матрицею і матрицею з вуглецю.
За структурою дисперсно-зміцнені композити - металева матриця, навколо якої за відповідною технологією розміщується армована складова.
Найпоширенішою технологією виробництва композиційних матеріалів є порошкова металургія.
Чи замислювалися ви над тим, як важко робити металеві деталі складної форми або з великою кількістю отворів? Скільки часу знадобилося б, наприклад, для того, щоб з металевого прутка виготовити шестерню або фланець, тобто видалити метал з тих місць, де повинні бути проміжки між зубцями або отвори? А скільки цінного матеріалу витратилось би при цьому даремно, адже значну частину його було б перетворено на стружку!
Є, однак, метод, який дозволяє робити такі деталі швидко й майже без втрат матеріалу. Це метод порошкової металургії. Він дозволяє отримати матеріали й деталі, що мають високу жароміцність, зносостійкість, твердість, задані стабільні магнітні властивості. До того ж порошкова металургія дозволяє отримувати більшу економію металу, значно знижуючи собівартість виробів.
Технологічний процес виготовлення деталей методом порошкової металургії включає такі операції: змішування, формування, спікання і калібрування (мал. 3).
Змішування - приготування однорідної механічної суміші; компоненти суміші зважуються і перемішуються в спеціальних млинах, після чого проводиться формування деталей.
Формування деталей здійснюють шляхом холодного пресування під великим тиском у металевих формах. Щойно засипний пристрій наповнить матрицю порошком, пересувні прес-штемпелі, що входять до неї зверху і знизу, здавлюють порошок під великим тиском. Завдяки такому сильному тиску утворюється пресовка, тобто деталь, отримана шляхом пресування.
Отримана пресовка має розмір та форму готового виробу, а також достатню міцність для перевантаження і транспортування до печі для спікання.
Спікання нагадує випал цегли. Температура спікання дорівнює приблизно 70...75 % температури плавлення відповідного металу, з якого виготовили порошок. У печі відбувається спікання металевих гранул порошку. Цим значно підвищується щільність і механічні властивості деталей. Після охолодження деталі мають майже такі самі властивості, як аналогічні деталі з лиття. Їх можна вважати готовими до використання.
Калібрування. Якщо ж деталі повинні відрізнятися особливо високими механічними властивостями, то після спікання вони піддаються додатковій обробці. Наприклад, більш висока якість поверхні і більш точні розміри деталі зі спеченого металу можна отримати шляхом калібрування, тобто проштовхування деталей через спеціальні матриці.
Підвищити механічні властивості можна завдяки вторинному пресуванню і спіканню. Для протикорозійного захисту та оздоблення деталей застосовується гальванічна обробка. Зміна електричних властивостей, коефіцієнта тертя, а також захист від корозії досягаються шляхом просочення пористих деталей металевими сплавами, маслами або пластмасами. Використовуючи метод порошкової металургії, отримують металокерамічні матеріали з особливими фізико-хімічними, механічними та технологічними властивостями, які неможливо одержати методами лиття чи обробки тиском (мал. 4).
Широкого застосування в промисловості набули композити з алюмінієвою, титановою, нікелевою та іншими матрицями. Композити на основі алюмінію знайшли застосування в авіаційній промисловості для виготовлення корпусів літаків, гелікоптерів тощо. У будівництві їх використовують для виготовлення вікон, дверей, різних будівельних конструкцій.
Конструкційні матеріали на основі магнію мають малу густину, порівняно з іншими конструкційними матеріалами, тому їх найчастіше використовують у ракето- та літакобудуванні для виготовлення деталей виробів, що повинні мати малу масу.
У волокнистих композитів матриця армована здебільшого високоміцними волокнами (джгутами, стрічками, листами), дротом та іншими матеріалами, які приймають навантаження на себе, за рахунок чого й досягається міцність композитів.
У результаті суміщення арму-вальних компонентів і матриці композити набувають властивостей, що не притаманні їхнім компонентам. Завдяки цьому стає можливим створення конструкційних матеріалів із заздалегідь визначеними властивостями.
Армувальні волокна призначені для сприйняття навантаження, яке виникає в процесі експлуатації виробу, та забезпечення жорсткості й міцності композита.
Механічні властивості волокнистих композитів значною мірою залежать від способів армування. Розрізняють такі їх види за напрямом розміщення волокон: спрямований (мал. 5, а), хаотичний (мал. 5, б), просторовий три-нитковий (мал. 5, в), просторовий багатонитковий (мал. 5, г) та ін.
Композити з полімерною матрицею виготовляють методом пресування і намотування. Таким методом виготовляють деталі різної форми та розмірів масою від кількох грамів до сотень кілограмів.
З армованих композитів виготовляють деталі, що повинні витримувати високі механічні навантаження: балкони високого тиску, частини літальних апаратів тощо. Армовані композити використовують як обшивний матеріал у будівництві та транспорті (мал. 6).
Склопластики - листові матеріали, які виготовляють методом просочування скловолокна або склотканини рідкими смолами з наступним твердінням їх. Це досить дешеві матеріали, що знайшли своє застосування в будівництві (мал. 7), суднобудуванні, радіоелектроніці, виробництві побутових предметів, спортивного інвентарю, віконних рам для сучасних склопакетів тощо.
Синтегран - це високонаповнений композиційний матеріал з підвищеними показниками міцності, ударними характеристиками, що використовується для виготовлення базових деталей верстатів, машин і приладів, а також як оздоблювальний будівельний матеріал (мал. 8).
Технологія виготовлення виробів із синтеграну вирізняється відносною простотою і включає миття й сушіння гранітного щебеню, розсівання його на потрібні фракції, дозування, подавання до змішувача, змішування із зв’язувальним компонентом, заповнення форми і віброущільнення.
Доволі поширеними є композити на основі деревини, про які ви дізнаєтеся з наступних параграфів.
Для найдопитливіших
• Композити, у яких матрицею служить полімерний матеріал, є одними з найчисленніших та найрізноманітніших видів матеріалів. Їх застосування в різних галузях дає значний економічний ефект. Наприклад, використання полімерних композиційних матеріалів у виробництві космічної та авіаційної техніки дозволяє зменшити вагу літального апарата на 5...30 %. А зниження ваги, наприклад, штучного супутника на навколоземній орбіті на 1 кг приводить до економії близько 1000 $.
• Ви вже знаєте, що композит - це два або більше неоднорідних матеріалів, які використовують разом, щоб створити новий унікальний матеріал або ж поліпшити характеристики одного з них. Перше використання цього методу датується 1500 р. до н. е., коли в Єгипті та Месопотамії почали використовувати глину й солому для спорудження будівель. Також за допомогою соломи зміцнювали керамічні вироби і човни.
Цеглу, у якій використовували солому, називають «саман».
Наступна віха - це 1200 рік н. е. Розробниками нового матеріалу були монголи: вони створили перший композиційний лук із деревини, кістки й тваринного клею. Монгольський лук виготовляли зазвичай з декількох шарів деревини (в основному це була береза), які склеювали за допомогою тваринного клею. Рогові накладки вміщували на внутрішньому боці лука, закріплюючи їх жилами.
Матриця - пластичний компонент композиту.
Порошкова металургія - технологія отримання металевих порошків і виготовлення виробів з них.
1. Які конструкційні матеріали вам відомі?
2. Якими основними властивостями повинен володіти конструкційний матеріал?
3. Що являє собою порошкова металургія?
4. Назвіть сфери використання виробів, виготовлених методом порошкової металургії.
5. Що називають композиційними матеріалами?
6. Які композиційні матеріали вам відомі?
7. Схарактеризуйте особливості композиційного матеріалу синтегран.
Це матеріал з підручника Трудове навчання 9 клас Гащак (хлопці)