Пластики и керамика как альтернатива металлам


Технология пластик и керамика 7 класс

7 класс

Раздел «Технология получения современных материалов»

Тема: Пластик и керамика

Цели урока:

  1. Способствовать формированию и развитию знаний о пластике и керамике как материалах, альтернативных металлу.

Ход урока

1. Организационный этап.

2. Актуализация знаний.

-Посмотрите вокруг, вас окружает множество предметов, назовите материалы из которых они изготовлены (ответы учащихся)

3. Сообщение темы и содержания урока. Объяснение нового материала

Тема нашего урока Материалы, изменившие мир. Технологии получения материалов. Современные материалы: многофункциональные материалы, возобновляемые материалы (биоматериалы), пластики и керамика как альтернатива металлам,

Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году

Пластма́ссы  или пла́стики — материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения

Для пластмасс характерны следующие свойства:

  • низкая плотность

  • высокая коррозионная стойкость. Пластмассы не подвержены электрохимической коррозии, на них не действуют слабые кислоты и щелочи. Есть пластмассы, стойкие к действию концентрированных кислот и щелочей. Большинство пластмасс безвредны в санитарном отношении;

  • высокие диэлектрические свойства;

  • хорошая окрашиваемость в любые цвета. Некоторые пластмассы могут быть изготовлены прозрачными, не уступающими по своим оптическим свойствам стеклам;

  • механические свойства широкого диапазона. В зависимости от природы выбранных полимеров и наполнителей пластмассы могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд пластиков по своей механической прочности превосходит чугун и бронзу.

  • высокие теплоизоляционные свойства.

  • хорошие технологические свойства. Изделия из пластмасс изготовляют способами безотходной технологии (без снятия стружки) – литьем, прессованием, формованием с применением невысоких давлений или в вакууме.

 На данный момент во многих производственных сферах металл активно заменяется на пластик. Пластиковые детали в среднем весят на 30 процентов меньше, чем те же стальные

Керамика является одним из древнейших материалов, используемых для изготовления посуды и других изделий. Она обладает рядом положительных свойств: прочностью, термостойкостью, экологической и химической безопасностью, изделия из нее обладают высоким эстетическим потенциалом, это и определяет ее широкое использование.

Керамика — это изделия из глины (или глинистых веществ) с минеральными добавками или без них, полученные путем формования и последующего обжига. Для улучшения потребительских эстетических свойств керамику покрывают глазурью.
В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов. Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения Керамические материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.

Биокерамика или биосовместимая нанокерамика ,  — наноструктурированный керамический материал, используемый в медицине для восстановления (замещения) поврежденных твёрдых тканей.

Сегодня уже практически невозможно представить современный мир без пластика. Этот материал уверенно вошёл в нашу жизнь, подкупив нас своей дешевизной и удобством эксплуатации.

Новое — это хорошо переработанное старое! Одной из главных проблем сегодня является утилизация и переработка твердых бытовых отходов. Постоянно увеличивающееся количество бытового мусора влечет за собой увеличение количества пластиковых отходов (бутылок, упаковочных материалов, пластмассовых изделий), которые составляют почти половину от всего объема. Утилизация пластиковых отходов становится все более актуальнее. Экологи уже давно бьют тревогу из-за чрезмерного загрязнения окружающей среды пластиковым мусором, который практически не разлагается и при горении выделяет токсичные газы, отравляющие все живое.
3 Самостоятельная работа

Предлагаю поискать в Интернете информацию о проблеме утилизации пластика и методах её решения.

https://recyclemag.ru/article/sposob-resheniya-problemi-zagryazneniya-mikroplastikom 10 способов решения проблемы пластикового загрязнения и микропластика

Регулирование производства

Экодизайн

Сокращение потребления пластика

Повышение осведомленности населения

Расширенная ответственность производителя за отходы

Совершенствование системы сбора и утилизации отходов

Переработка отходов

Получение энергии из отходов

Биоразлагаемый пластик

4. Подведение итогов урока

- Какими свойствами обладают материалы, с которыми вы познакомились на уроке?

-Где применяются эти материалы?

5 Легкие защитные материалы: керамика, полимеры и металлы | Возможности защиты материаловедения и технологий для будущего применения в армии

из-за плохого смешивания спекающих добавок в порошках 4 , 5 и посторонних добавок углерода или плохого перемешивания углерода снижает рост зерен соседних зерен SiC и оставляет крупные включения углерода внутри мелкодисперсной матрицы SiC. 6

В начале конфликта во Вьетнаме Министерство обороны (МО) обратилось в Лос-Аламосскую национальную лабораторию и Ливерморскую национальную лабораторию с просьбой предоставить легкие бронежилеты для наземных войск.Джон Тейлор из Лос-Аламоса и Марк Уилкинс из Лоуренса Ливермора начали исследовать керамику для защиты от огня из стрелкового оружия. Coors Ceramics попросили изготовить формованную панель корпуса из глинозема, но наземные войска в джунглях Вьетнама сочли ее слишком тяжелой и носили броню только в карауле на фиксированном посту. Позже Wilkins et al. 7 продемонстрировал взаимосвязь между твердостью, прочностью на сжатие и баллистическими характеристиками и показал, что сами по себе объемные свойства не являются достаточной основой для проектирования брони.Они утверждали, что потребуется некоторый компромисс между различными свойствами, чтобы извлечь выгоду из других ключевых свойств, таких как вязкость разрушения и пластичность. 8 , 9 Их ранние работы исключили из рассмотрения большую часть керамики на основе силиката из-за их низкой твердости и того факта, что муллит и другая керамика на основе оксида алюминия, содержащая силикат, по-видимому, разрушалась при меньшей баллистической атаке, чем оксид алюминия высокой чистоты. Wilkins et al. далее сосредоточили свои исследования на других оксидах, таких как шпинель алюминия и магния; карбиды, такие как карбиды кремния и бора; бориды, такие как диборид титана; и несколько нитридов, включая нитрид алюминия.Глинозем стал сегодня наиболее широко используемой керамической броней, сочетающей хорошие механические свойства с относительно низкой стоимостью. Поскольку оксид алюминия производится в количествах в миллионы фунтов во всем мире, он намного дешевле, чем SiC или, особенно, B 4 C. Плотность B 4 C (2,52 г / см 3 ) и SiC (3,29 г / см 3 ) значительно меньше, чем у Al 2 O 3 (3,98 г / см 3 ). Однако из-за легкости спекания и более низкой стоимости сырых порошков оксид алюминия по-прежнему является предпочтительным для использования в транспортных средствах, где можно допустить дополнительный вес, в то время как более легкая керамика B 4 C и SiC теперь используется в кузовах. броня.

Нанокерамика из оксида алюминия

, которая может достигать теоретической максимальной плотности, дает возможность исследовать влияние микроструктуры на поведение материала в экономичном материале. В то время как керамика B 4 C и SiC требует температуры от 2150 ° C до 2200 ° C и, как правило, приложенного давления для проведения спекания для достижения полной плотности, оксид алюминия можно легко спекать в сложные формы до полной плотности при 1500 ° C. до 1600 ° C спеканием без давления. Действительно, нанопорошки Al 2 O 3 можно спекать при температуре от 1100 ° C до 1200 ° C до полной плотности, сохраняя при этом свою нанозернистую микроструктуру. 10 , 11 Работа Крелла по Al 2 O 3 указала на зависимость Холла-Петча, согласно которой уменьшение размера зерна приводит к увеличению твердости. 12 Chen et al. 13 предполагает важность эффективной пластичности для баллистических свойств оксида алюминия.

Из других керамических материалов, названных выше, SiC и B 4 C являются ведущими непрозрачными керамическими материалами для систем брони кузова и транспортных средств нового поколения.Их благоприятные характеристики по сравнению с глиноземом (Al 2 O 3 ) - это меньший вес, более высокая твердость и более высокая жесткость.

Центральный принцип материаловедения и инженерии заключается в том, что состав, кристаллическая структура и микроструктура влияют на механическое поведение материала. Согласно Макколи, 14

… фундаментальные факторы, влияющие на внутренние характеристики материала, [относятся] к кристаллофизике, т.е. упругие свойства и анизотропия, фазовые превращения и механизмы деформации, а также разработка новых материалов и методов трансформационной обработки [которые могут] дать большой результат. -40% улучшение характеристик керамики.

Недавний пример - значительное улучшение механических характеристик многослойной керамики в виде частиц C-SiC B 4 , достигнутое Орловской и др. за счет приложения к их внешнему поверхностному слою высоких сжимающих термических остаточных напряжений. 15

______________

4 Бакас М., В.А. Гринхут, Д. Нисс, Дж. Адамс и Дж. Макколи. 2003. Связь между дефектами и динамическим разрушением в карбиде кремния. Керамическая инженерия и научные труды 24 (3): 351-358.

5 Бакас М., В.А. Гринхут, Д. Нисс, Дж. Адамс и Дж. Макколи. 2008. Связь между дефектами и динамическим разрушением в карбиде кремния. Глава 52 в 27-й Ежегодной конференции Какао-Бич по передовой керамике и композитам: A: Керамическая инженерия и научные труды, том 24, выпуск 3. W.M. Кривен и Х.-Т. Lin, eds. Хобокен, штат Нью-Джерси: John Wiley & Sons.

6 Raczka, M., G. Gorny, L. Stobierski, and K. Rozniatowski. 2001. Влияние содержания углерода на микроструктуру и свойства агломератов на основе карбида кремния.Характеристика материалов 46 (2-3): 245-249.

7 Wilkins, M.L., C.F. Клайн и К.А. Honodel. 1969. Light Armor, UCRL-71817, 23 июля. Ливермор, Калифорния: Радиационная лаборатория Лоуренса, Калифорнийский университет.

8 Там же.

9 Wilkins, M.L., R.L. Landingham, and C.A. Honodel. 1971. Пятый отчет о ходе реализации программы по легкой броне, UCRL-50980, январь. Ливермор, Калифорния: Радиационная лаборатория Лоуренса, Калифорнийский университет.

10 Крелл А. 1996. Влияние метода формования на зависимость прочности от размера зерна в плотном субмикрометровом оксиде алюминия. Журнал Европейского керамического общества 16 (11): 1189-1200.

11 Бакас М., В.А. Гринхут, Д. Нисс, Дж. Адамс и Дж. Макколи. 2003. Связь между дефектами и динамическим разрушением в карбиде кремния. Керамическая инженерия и научные труды 24 (3): 351-358.

12 Крелл, А., Бланк П., Х.W. Ma, T. Hutzler и M. Nebelung. Обработка субмикрометра высокой плотности Al 2 O 3 для новых приложений. Журнал Американского керамического общества 86 (4): 546-553.

13 Chen, M.W., J.W. Макколи, Д. Дандекар, Н.К. Борн. 2006. Динамическая пластичность и разрушение высокочистого глинозема при ударном нагружении. Материалы Nature 5 (8): 614-618.

14 Джеймс У. Макколи, Управление исследований оружия и материалов, сотрудник Армейской исследовательской лаборатории (ARL), ARL, «Материалы брони 101-501: Сосредоточьтесь на фундаментальных вопросах, связанных с кинетической энергетической пассивной броней из керамики», презентация для комитет, 9 марта 2010 г.

15 Орловская Н., М. Лугови, В. Субботин, О. Радченко, Дж. Адамс, М. Чеда, Дж. Ши, Дж. Санкар, С. Ярмоленко. 2005. Прочная конструкция и производство керамических ламинатов с контролируемыми термическими остаточными напряжениями для повышения прочности. Журнал материаловедения 40 (20): 5483-5490.

.

Актуальные вопросы и проблемы соединения керамики с металлом

1. Введение

Успешное применение керамики во многих устройствах и конструкциях требует определенного типа соединения с металлом [1]. Поэтому металлокерамические соединения широко используются в различных приложениях, таких как вакуумные лампы, ввод высокого напряжения, корпуса транзисторов, окна из сапфирового металла, корпуса ракетных воспламенителей и многие другие [2]. Новые цели соединения этих материалов включают компоненты автомобильных двигателей, такие как карбид кремния, нитрид кремния и диоксид циркония, стабилизированный йетрием.Керамический ротор был присоединен к металлическому валу с помощью нового метода, который компенсировал проблемы как при горячей посадке, так и при активной пайке. Конструирование керамического ротора было выполнено для обеспечения прочности и долговечности детали, а также для получения тех же аэродинамических характеристик, что и у металлического ротора. Все области применения зависят от улучшенных механических и термических свойств, таких как прочность и сопротивление усталости, ползучести и окислению.

Однако достижение высокой степени целостности швов между керамикой и металлом является сложной задачей.Свойства керамики, которые делают ее привлекательной, могут серьезно затруднить совместное изготовление. Из-за химической инертности керамики нельзя использовать обычные методы соединения металлов. Для получения надлежащего качества склеивания часто требуются высокая температура и давление [3], и используются склеивающие материалы с реактивными элементами [4]. Химические явления, происходящие на интерфейсах, определяют структуру интерфейса и, следовательно, его свойства. Химическая реакция между керамикой и металлом может легко инициировать образование связи; однако толстые хрупкие реакционные слои или интерметаллиды, образованные на границе раздела, часто вызывают преждевременное разрушение при очень низких напряжениях [5].

Даже успешное формирование шва не гарантирует механической прочности шва. Внутренние различия в физических свойствах керамики и металла очень затрудняют поиск эффективного процесса соединения, который сохранял бы детализированную и всеобъемлющую прочность и гибкость. Есть два основных фактора, которые вызывают проблему надежности соединения, такие как несоответствие коэффициента теплового расширения (CTE) и различие в природе межфазного соединения. Термические остаточные напряжения возникают в соединении во время охлаждения из-за несоответствия КТР и различных механических характеристик керамики и металла.Это может отрицательно сказаться на прочности сустава [5, 6].

Целью данной главы является рассмотрение проблем различных исследований последних лет по соединению двух разнородных материалов. Основное внимание уделяется общим проблемам, решениям и факторам, влияющим на надежность при различных процессах соединения металлокерамики.

2. Общие проблемы в соединении металлокерамики

Между керамическими и металлическими материалами существует множество проблем, таких как конфигурация связи атомов, химические и физические свойства и т. Д.Эти проблемы затрудняют соединение керамики с металлами. Следующие основные проблемы, такие как ионные связи и ковалентные связи, являются характерными конфигурациями атомных связей керамических материалов. Периферийные электроны чрезвычайно стабильны. Использование обычного метода сварки плавлением для соединения керамики с металлами практически невозможно, и расплавленный металл обычно не смачивается керамическими поверхностями [7].

При соединении керамики с металлами методом пайки, например, необходима металлизация керамической поверхности с помощью обычно неактивного припоя или использования активных припоев для получения надежного соединения.Коэффициенты теплового расширения керамики обычно намного ниже, чем у металлов. Напряжение будет возникать в керамическом / металлическом соединении из-за несоответствия теплового расширения, что ухудшит механические свойства соединения и может вызвать растрескивание соединения сразу после процесса соединения. При соединении керамики с металлом следует тщательно учитывать термическое напряжение в соединении из-за несоответствия теплового расширения. Многие керамические материалы имеют низкую теплопроводность и подверженность тепловым ударам.При использовании метода сварки плавлением для соединения керамики путем концентрированного нагрева или с помощью источника тепла с высокой плотностью энергии в керамике легко возникает трещина. Необходимо максимально уменьшить градиент температуры в зоне плавления и вокруг нее и тщательно контролировать скорость нагрева и охлаждения в процессе соединения.

3. Факторы, влияющие на надежность соединения керамика-металл

Соединение керамики с металлическими материалами не так просто без рассмотрения нескольких проблем, возникающих из-за различий в физической и химической природе керамики и соединяемых металлов [8 , 9].Рисунок 1 суммирует несколько моментов, которые могут непосредственно вызвать большой разброс прочности. С микроскопической точки зрения, интерфейсный контакт, образованный смачиванием, химической и физической реакцией на границах раздела, должен вызывать беспокойство в первую очередь [10]. Растрескивание слоя часто снижает прочность соединения. Другим важным фактором становится термическое или остаточное напряжение в суставе. Большое термическое напряжение как в процессе соединения, так и при эксплуатации вызывает дефекты в соединениях. Эти факторы будут отражать распределение несвязанных или слабо связанных дефектов на границах раздела, что приводит к существенному снижению прочности соединения [11, 12].

Рисунок 1.

Схема факторов, влияющих на надежность соединения керамика / металл [1, 12].

Развитие остаточных напряжений является одной из основных проблем при соединении керамики и металла на границе раздела, когда материал охлаждается от температуры соединения до комнатной [13]. Эти остаточные напряжения снижают прочность связанного материала и в некоторых случаях приводят к катастрофическому разрушению на границе раздела или рядом с ним во время процесса соединения. Механический анализ соединения металла с керамикой - очень сложная задача.Керамические / металлические соединения имеют много различных характеристик. В зависимости от детального применения некоторые характеристики важнее других [14]. Поэтому в следующих разделах мы сосредоточимся на исследованиях проблем соединения для факторов, влияющих на надежность соединения керамика / металл.

3.1. Надежность материала

Керамика из-за присущей ей хрупкости является наиболее важным материалом для получения надежных соединений [15]. Основные свойства массивного керамического элемента имеют важное значение.Когда свойства объемной керамики недостаточны, термическое напряжение просто разрушает керамический элемент. Кроме того, состояние поверхности керамики также очень важно для надежности соединения. Керамику производят различными методами формования и последующим уплотнением во время спекания при высоких температурах. Из-за высокой твердости и хрупкости керамики любая сложная обработка форм часто требует алмазных режущих инструментов и абразивов. При этом следует избегать острых краев и углов, которые могут вызвать концентрацию растягивающего напряжения [16].Кроме того, когда керамический материал шлифуется алмазным кругом на металлической связке, на поверхности керамики образуются микротрещины. Размер микротрещин зависит от зернистости круга, а также от скорости съема материала. Повреждение поверхности может вызвать серьезные трещины в керамике из-за термического напряжения и, следовательно, привести к ненадежному соединению. Поэтому керамическая поверхность не должна иметь повреждений для получения высоконадежных соединений. Это условие может быть выполнено простым использованием спеченных керамических материалов.Однако почти все спеченные керамические детали размером более 2 см должны быть заземлены, поскольку деформация деталей во время спекания требует шлифования для контроля размеров. Отшлифованные керамические материалы следует дополнительно обработать, чтобы поверхность без дефектов. Это может быть выполнено повторным нанесением или притиркой. В процессе повторного нанесения поврежденный слой восстанавливается путем спекания. В случае притирки поврежденный слой физически удаляется. Следует отметить, что толщина, удаляемая притиркой, должна полностью устранять поверхностные повреждения [15].

3.2. Тепловое расширение и остаточное напряжение

Остаточные напряжения - это напряжения, которые остаются в соединяемых материалах после устранения первоначальной причины напряжений. Термические остаточные напряжения играют ключевую роль в механическом поведении различных материалов соединений. Термические напряжения могут возникать в нагретой конструкции, которая жестко ограничена, а также в конструкции с температурными градиентами. Термические остаточные напряжения в соединениях керамика / металл можно разделить на три группы в соответствии с механизмом их возникновения.Во-первых, термические напряжения, вызванные изменением объема, либо расширением, либо сжатием, связанным с фазовым превращением. Поскольку эти напряжения возникают из-за фазового перехода, температура должна измениться, чтобы вызвать фазовый переход. Во-вторых, термические напряжения, вызванные разницей в несоответствии КТР двух соединенных вместе материалов. Чтобы эти напряжения возникли из-за разницы в коэффициентах теплового расширения, температура может измениться или стабилизироваться. В-третьих, термические напряжения, вызванные термическими напряжениями, вызванными градиентом температуры, приводящие к разности температур в объеме материала или внутри конструкции и потенциально приводящие к растрескиванию.Чтобы эти напряжения возникли из-за разницы скоростей расширения или сжатия, температура должна измениться и создать градиент, который может сохраняться, а может и не сохраняться. Независимо от того, сохраняется ли температурный градиент или нет, термические напряжения от этого источника сохраняются [17].

Металлокерамические соединения представляют собой важный класс компонентов из-за их применения в агрессивных средах. Примеры можно найти в различных приложениях, таких как автомобилестроение, микроэлектроника, аэрокосмическая промышленность или биомедицинские приложения.Как правило, соединение керамика-металл создает поле остаточных напряжений, которое возникает в процессе термомеханического изготовления и возникает из-за разницы в КТР керамики и металла (рис. 2). Остаточные напряжения оказывают значительное влияние на механическую стабильность границы раздела фаз, поскольку они могут вызвать пластические деформации на металлической стороне и растрескивание керамики, что ухудшает адгезию или даже вызывает разрушение соединения.

Рисунок 2.

Сравнение коэффициентов теплового расширения металлов и керамики [18].

Остаточные напряжения, возникающие в металлическом керамическом соединении, можно оценить для условий полной упругости в соответствии с этим уравнением [7]:

σC = Δα × ΔT × Em × ECEm + ECE1

, где σ C - остаточное напряжение после того, как соединение остынет до комнатной температуры, Δ α - разница коэффициентов теплового расширения между материалами, Δ T - разница между температурой соединения и комнатной температурой, E м - модель металла Юнга, E C - керамическая модель Юнга.Если термические напряжения в металле превышают предел текучести, остаточные напряжения в соединении можно определить по формуле [7]:

, где E mp - коэффициент линейного деформационного упрочнения, а σ my - коэффициент упрочнения. предел текучести металла (предполагаются линейно-упруго-линейно-пластические условия).

Распределение термического остаточного напряжения неоднородно в соединении и даже на границе раздела между этими различными материалами. Концентрация теплового напряжения становится более интенсивной по мере приближения к границе раздела [19].Наиболее вредное воздействие термического напряжения вызывается растягивающим напряжением на границе раздела или в керамике. Направление максимальных растягивающих напряжений в основном перпендикулярно границе раздела и направлению свободной поверхности, что вызывает раскрытие трещины и разрушение. Степень термического остаточного напряжения зависит от формы и размера поверхности раздела керамика / металл [20]. Например, зависимость термического напряжения соединения Si 3 N 4 / инвар от диаметра, измеренная на поверхности вблизи границы раздела, как показано на рисунке 3.Больший диаметр приводит к возникновению большего термического остаточного напряжения. Также следует отметить, что концентрация напряжений в углу прямоугольного стыка лицевой стороны более серьезна. Прочность соединения имеет тенденцию к снижению с увеличением несоответствия теплового расширения. Однако иногда случается, что один экземпляр будет сильным, а другой - слабым, даже если они одного вида [20]. Это зависит от наличия и распределения внутренних дефектов, вызванных остаточным напряжением во время соединения.Прочность соединений Si 3 N 4 / инвар (железо-никелевый сплав) и Si 3 N 4 / ковар (сплав железо-никель-кобальт), различающихся по амплитуде термических напряжений. , были исследованы статистически [21].

Рисунок 3.

Влияние размера и формы поверхности соединения остаточного напряжения на соединения сплава Si3N4 / инвар. Остаточное напряжение было вертикальным по отношению к границе раздела на поверхности Si3N4 [22].

В соответствии с тезисом Лемуса-Руиса [23] термическое напряжение можно снять двумя разными способами.Один метод включает вставку металла с примерно таким же коэффициентом теплового расширения, что и у керамики, чтобы уменьшить величину создаваемого теплового напряжения, в то время как другой метод включает снятие термического напряжения с помощью пластичного металла, который легко развивает пластическую деформацию под действием термического напряжения. Эти два метода также можно использовать в комбинации. На рис. 4 схематично показано тепловое напряжение на стыке стыка и режим растрескивания из-за разницы коэффициентов теплового расширения [24].Когда коэффициент теплового расширения α C керамики меньше, чем у металла, α M , керамика подвергается напряжению растяжения и трещинам по краям, как схематично показано на рисунке 4a, с другой стороны, когда коэффициент теплового расширения, α M , металла меньше, чем у керамики, α C ; растягивающее напряжение действует на сердечник керамики и приводит к растрескиванию керамики не по краям, а поперек сердечника, как показано на рисунке 4b.

Рис. 4.

Схематическое изображение теплового напряжения на стыке стыка и режима растрескивания из-за разницы коэффициентов теплового расширения [23, 24].

Чтобы преодолеть и снизить остаточное напряжение, упомянутое выше, вызванное несоответствием коэффициентов теплового расширения между соединяемыми материалами, можно использовать следующие методы, как сообщает Чжоу [7]: (1) Использование мягких присадочных металлов, мягкие наполнители имеют низкий предел текучести и могут снимать остаточное напряжение.(2) Используя мягкую прослойку, можно уменьшить остаточное напряжение за счет упругой и пластической деформации прослойки, например при использовании Al или Cu в качестве промежуточного слоя остаточное напряжение уменьшается. Согласно формуле. (1), остаточное напряжение будет уменьшаться с уменьшением модели Юнга E м . (3) Использование твердых металлов, у которых коэффициент теплового расширения близок к керамике, в качестве промежуточного слоя. Использование твердых металлов, таких как W, Mo или инвар, в качестве промежуточного слоя может снизить остаточное напряжение.Их справедливость не очевидна, когда промежуточным слоем являются твердые металлы с высоким пределом текучести. (4) Использование композитного промежуточного слоя, где композитные промежуточные слои часто представляют собой твердые металлы и мягкие металлы, такие как Cu / Mo-Cu / Nb, оказывает заметное влияние на снижение остаточного напряжения с сочетанием достоинств этих двух видов металлов. (5) Соединение при низкой температуре, когда соединение керамики с металлом при низкой температуре хорошо для уменьшения деформации соединения и эффективного уменьшения остаточных напряжений.(6) Термическая обработка после соединения, поскольку правильная последующая термообработка соединения иногда снимает напряжение, и прочность будет варьироваться в зависимости от термической обработки. (7) Соответствующая конфигурация соединения может снизить степень концентрации напряжений и уменьшить остаточное напряжение.

3.3. Надежность стыков между стыками

Межфазные границы играют решающую роль в свойствах многих систем материалов, таких как композиты, покрытия и стыки. В частности, в соединениях керамики с металлом, свойства поверхностей раздела существенно влияют на механическую надежность соединений.Механизм образования связи на границе раздела определяет структуру интерфейса, которая сильно зависит от условий обработки, а также материалов. Механизмы связывания можно разделить на категории с точки зрения массопереноса через интерфейс. Когда есть только перенос заряда без массопереноса через границу раздела, связывание называется химическим связыванием. В некоторой литературе это также называется физическим соединением или адгезивным соединением. Когда происходит массообмен через поверхность раздела, например, химическая реакция и диффузия, механизм связывания называется связыванием химической реакции [5].

3.3.1. Химическая связь

В то время как атомы являются самыми маленькими единицами для физиков твердого тела, интерфейсы - это самые маленькие строительные единицы для ученых-материаловедов. Неоднородные границы раздела между двумя разными типами материалов изменяют химическую связь и образуются новые свойства [25]. Таким образом, химическая связь занимает важное место в качестве техники соединения в этом случае и включает химическую связь, создаваемую между обеими частями изделия за счет использования химических реакций, происходящих на границе раздела керамика / металл.Проблема химического связывания в этих соединениях может широко возникать за счет химического связывания на границе раздела между керамикой (ионное связывание, ковалентное связывание) и металлами (металлическое связывание), которые в основном имеют разные режимы связывания [26].

Движущей силой для образования границ раздела керамика-металл является уменьшение свободной энергии (Δ G ), которое происходит, когда устанавливается тесный контакт между керамической и металлической поверхностями [27]. Изменение свободной энергии на единицу площади образованной границы раздела определяется уравнением Дюпре [5]:

, где γ M и γ C - поверхностные энергии металла и керамики соответственно, а γ MC - межфазная энергия металл / керамика (рисунок 5).Когда соединение представляет собой химическое связывание и межфазное разделение происходит без пластической деформации металла и керамики, Δ G идентично работе адгезии, W и , которая является работой, необходимой для разделения единичной площади стыкуются с двумя исходными поверхностями. В сочетании с уравнением Юнга [28] уравнение (3) может быть выражено как [26]:

Рис. 5.

Форма капли жидкого металла в зависимости от времени контакта: (а) начальный контакт или жесткая твердая поверхность, (б) образование гребня (вертикальный масштаб увеличен) и (c) конечная равновесная конфигурация на деформируемом твердом теле [29].

Wad = γM + γC − γMC = γM1 + cosθE4

, где θ - измеренный угол смачивания между жидкостью или твердым телом, находящимся в равновесии с твердой подложкой. Из уравнения. Из (4) видно, что межфазная энергия керамика / металл, γ MC , уменьшается по мере увеличения W, , и .

Из таблицы 1 видно, что, как правило, γ MC для систем Al 2 O 3 -металлов имеет тенденцию увеличиваться с увеличением энергии когезии металла, которая напрямую связана с его плавлением. температура ( T м ).С другой стороны, если керамика-металл представляет собой систему твердое тело, W, , и можно оценить путем измерения двугранного угла, Ø , связанного с остаточными пустотами на диффузионно связанных границах раздела [23].

2 O Al 2 3 -Ag
Al 2 O 3 -Au
Al 2 O 3 -Cu
Al 2 O 3 -Ni
Al 2 O 3 -Fe
Система γ MC (Дж / м 2 ) T м металла (° C)
1.57 при 700 ° C
1,80 при 1000 ° C
2,21 при 900 ° C
2,20 при 1000 ° C
2,73 при 1000 ° C
960
1063
1083
1453
1536

Таблица 1.

Межфазные энергии систем твердое тело - твердое тело Al 2 O 3 -металл [23].

Если граница раздела разрывается хрупким образом, Ø можно измерить с помощью атомно-силового микроскопа, а W и можно получить из [23]:

Еще одно важное следствие уравнения.(3) состоит в том, что для стабильного интерфейса требуется положительный Δ G (или W и ). Для ряда металлокерамических систем значения W, , и меняются в зависимости от температуры, что дает объяснение минимальным температурным требованиям для достижения склеивания.

3.3.2. Химическая реакция связывания

Когда происходит массообмен через границу раздела, связывание образуется за счет диффузии или химических реакций. Химические реакции на границе раздела приводят к образованию межфазных реакционных слоев со свойствами, которые отличаются как от керамики, так и от металла [5].Это может благоприятно сказаться на качестве соединения за счет увеличения начальной смачиваемости металла керамическими поверхностями; однако толстые реакционные слои увеличивают напряжения рассогласования по объему и остаточные термические напряжения, которые ухудшают прочность соединения. На рисунке 6 схематически показаны методы и процессы химического связывания. Пайка, например, представляет собой метод соединения, включающий аномалии и зазоры, которые возникают на поверхностях изделия, приводимого в состояние плотного сцепления с помощью жидкой фазы.Также общеизвестно, что твердофазное соединение, включая хорошую адгезию, которая достигается за счет нагрева, повышения давления, а также деформации, возникающие через рабочие поверхности, а также взаимозависимость естественной температуры, когда казалось, что прямой контакт в течение периода варьируется между рабочими поверхностями через расчет и активация. Он включает в себя нити с нормальным температурным натяжением, которые создаются для создания границы раздела между этими материалами с полным контактом за счет подачи энергии от источника, отличного от теплового, и для создания стыка на границе раздела в непосредственной близости от его нормальной температуры.

Движущей силой химической реакции является химический потенциал задействованных атомных частиц. Во многих системах химическая реакция не ожидается, если рассматривать только взаимодействие металла с неметаллическими элементами керамики. Однако, когда учитываются все возможные реакционные потенциалы, может получиться чистая отрицательная свободная энергия, что указывает на то, что химическая реакция является термодинамически благоприятной. Равновесная термодинамика может использоваться для прогнозирования возможных реакций на границе раздела.Однако, когда в системе керамика-металл более трех элементов, предсказание всех возможных реакций на основе фазовой диаграммы практически невозможно. Кроме того, степень и возможность реакции ограничены кинетикой, данные о которой для границ раздела керамика-металл недоступны [30].

Рисунок 6.

Химическая связь керамики и металлов [26].

Фазы реакции, такие как хрупкие интерметаллиды и твердые растворы, часто вызывают межфазное разрушение при очень низком напряжении [5].Повышение температуры склеивания и чрезмерное время обычно усиливают химические реакции и приводят к образованию толстого реакционного слоя, который может снизить прочность соединения. На границах раздела, где образуются плоские реакционные слои, толщина слоя часто оптимизируется за счет управления условиями связывания для предотвращения межфазного разрыва или хрупкого межфазного разрушения вдоль реакционного слоя. Во многих металлокерамических системах наблюдается, что рост реакционного слоя следует параболическому закону скорости.Обнаружено, что продукт реакции имеет тенденцию связываться с керамикой когерентной границей раздела.

3.3.3. Поры и несвязанные области на границе раздела

Несвязанные области часто образуются на краю соединения. Этот краевой дефект чрезвычайно ослабляет соединение, поскольку он действует как выемка на границе раздела, и необходимо контролировать образование краевой несращенной полосы. Неоднородность деформации металлического слоя также будет отражать прочность. В случае системы выпуска реакционного газа, реакции во внешней области может способствовать непрерывная откачка.Это приведет к чрезмерному утонению керамики в краевой области.

Если в качестве продукта реакции выделяется газ, образующийся при реакции на границе раздела, то поры, заполненные газом, могут остаться на границе раздела, что приведет к затруднению контакта. Интерфейс Si 3 N 4 / Ni - один из таких случаев. Этот интерфейс является слабым из-за близости пор вдоль границы раздела. Когда никель содержит нитридообразующие элементы, например хром, поры на границе раздела не образуются, и прочность повышается.

В фактических последовательностях соединения идеальное интерфейсное соединение по всему интерфейсу вряд ли достигается в течение определенного периода соединения и температуры, ограниченной развитием реакции интерфейса. В то время как шероховатость базовой поверхности и приложенное давление с парой критических особенностей, которые существенно влияют на выполнение межфазного контакта при твердотельном соединении, а также при сварке [31]. В твердотельном соединении и продвинутом межфазном контакте эта пластическая деформация на следующей ранней стадии приводит к деформации ползучести и диффузии на более поздней стадии.Основные эффекты давления для достижения контакта путем пластической деформации на элементарной стадии. Несоединенные островки неизбежно образуются на стыках раздела под ограниченным давлением. Это будет зависеть от диапазона давления, времени, температуры и различных материальных факторов, таких как поток напряжения [32]. Взаимосвязь между напряжением разрушения и несоединенной областью твердотельного соединения Al 2 O 3 / Nb показано на рисунке 7. По-видимому, увеличение несоединенной области снижает прочность образца [33].

Рисунок 7.

Прочность на изгиб отдельных соединений Al2O3 / Nb в зависимости от несоединенной площади, образованной на границе раздела [32].

3.4. Механическая надежность соединений

Важным фактором механической надежности является отклонение механической прочности. Знание режима распределения прочности керамических / металлических соединений важно для оценки надежности. Распределение прочности керамических материалов в целом соответствует теории Вейбулла.Несколько исследователей предложили возможность применения теории Вейбулла к распределению прочности керамических / металлических соединений [19].

В теории Вейбулла кумулятивная функция распределения трещин F ( σ ) записывается как [19, 34]

Fσ = 1 − exp − ∫γ0σ − σu / σOmdV) E6

, где σ u , σ 0 и m - это сила нулевой вероятности (параметр местоположения), параметр масштаба и показатель плотности дефектов (параметр формы).Ниже σ и напряжение становится равным нулю; Обычно σ и устанавливают равным нулю.

На Рисунке 8 показана геометрия образца и конфигурация испытаний, используемых для определения механических характеристик соединений керамика / металл. Эта характеристика межфазной прочности посредством испытаний на отрыв или сдвиг имеет несколько ограничений. Первая связана с разнообразием методов, используемых разными исследовательскими группами, что затрудняет взаимное сравнение результатов.Испытание на сдвиг представляет собой альтернативный способ оценки механической прочности границ раздела. Образцы легко изготовить, но результаты обычно ниже, чем результаты испытаний на изгиб и растяжение. Выбор подходящего метода измерения прочности сцепления продиктован целью испытания, но процесс связывания и параметры, влияющие на механическое качество сцепления, можно контролировать как с помощью механики разрушения, так и обычных методов тестирования. Полученные значения прочности связи также зависят от выбранной методики испытаний.Значения испытаний на изгиб обычно выше значений испытаний на растяжение для соединений и для хрупких керамических материалов. Испытание на напряжение сдвига - один из простейших методов. Однако напряжение сдвига на границе раздела - это не просто сдвиг, и оно всегда содержит компонент растягивающего напряжения, возникающий из изгибающего момента, которым нельзя пренебрегать. Влияние небольшого изменения положения толкателя и условий фиксации на распределение напряжений очень важно. Поэтому испытание на сдвиг не рекомендуется для общепринятого метода оценки.Испытания на изгиб и растяжение имеют почти те же распределения напряжений, что и полученные из аналитических уравнений. Однако несоответствие упругих постоянных керамики и металла вызывает неоднородность в распределении напряжений [23].

Рисунок 8.

Геометрия образца для механических испытаний соединяемых образцов: (а) на растяжение; (б) трехточечный изгиб, (в) четырехточечный изгиб, (г) плоский сдвиг и (д) сдвиг на кольце / цилиндре [1, 30].

В случае трехточечного изгиба максимальное напряжение возникает только вдоль единственной линии на поверхности испытательного стержня, противоположной точке нагружения.Растягивающее напряжение линейно уменьшается по длине стержня до толщины стержня, достигая нуля на каждой нижней опоре и на нейтральной оси соответственно. Вероятность того, что самый большой дефект в образце окажется на поверхности вдоль линии максимального растягивающего напряжения, очень мала. Следовательно, образец будет разрушаться либо на дефекте, меньшем, чем самый большой дефект, либо на участке с более низким напряжением. Испытание на четырехточечный изгиб дает более низкие значения прочности для данного керамического материала, чем при трехточечном изгибе.Пик распределения напряжений в образце с четырехточечным изгибом присутствует на площади растянутой поверхности между точками нагрузки. Растягивающее напряжение линейно уменьшается от поверхности до нуля на нейтральной оси и от точки нагрузки до нуля на нижних опорах. Площадь и объем при пиковом растягивающем напряжении или близком к пиковому растягивающему напряжению намного больше для четырехточечного изгиба, чем для трехточечного изгиба, и, таким образом, увеличивается вероятность того, что более крупный дефект будет подвержен высокому напряжению.В результате модуль разрыва (MOR) или прочность на изгиб, измеренный по четырем точкам, ниже, чем по трем точкам. Предел прочности на одноосное растяжение приводит к более низким значениям прочности для данной керамики, чем при испытаниях на изгиб. На рисунке 9 показано, что в случае одноосного растяжения весь объем измерительной части образца для испытания на растяжение подвергается пиковому растягивающему напряжению. Следовательно, самый большой дефект в этом объеме будет критическим дефектом и приведет к разрушению.

Рисунок 9.

Сравнение распределений растягивающих напряжений для трехточечных, четырехточечных и одноосных образцов для испытаний на растяжение [23].

Прочность соединительных материалов металл / керамика обычно определяется испытаниями на изгиб, также называемыми испытаниями на изгиб. Образец для испытаний может иметь круглое, квадратное или прямоугольное поперечное сечение и быть однородным по всей длине. Как показано на рисунке 10, испытуемый образец поддерживается рядом с концами, и нагрузка прикладывается либо в центре, для трехточечной нагрузки, либо в двух положениях для четырехточечной нагрузки.

Рисунок 10.

Вывод уравнения модуля разрыва для трех- и четырехточечного изгиба [23].

Прочность на изгиб определяется как максимальное растягивающее напряжение при разрушении и часто обозначается как MOR. Прочность на изгиб прямоугольного образца для испытаний может быть рассчитана по общей формуле напряжения изгиба:

, где M - момент, C - расстояние от нейтральной оси до растягиваемой поверхности и I - момент инерция.

Для прямоугольного образца [23]:

и

, где b - толщина, а a - ширина образца.

Из рисунка 10 можно проиллюстрировать вывод формул трех- и четырехточечного изгиба для прямоугольных стержней. Мы можем заметить, что: M = ( L /2) ⋅ ( F /2) в случае трехточечной и M = ( F /2) ⋅ d для четырех- точечный тест.

Следовательно, для трехточечного изгиба:

И для испытания на четырехточечный изгиб:

Для большинства керамических материалов кажущаяся прочность будет уменьшаться при переходе от трехточечного к четырехточечному испытанию на растяжение и по мере увеличения размера образца. .

Какие бы процессы соединения ни использовались, успешное формирование соединения зависит от достижения тесного контакта между основными материалами, преобразования тесного контакта в атомную связь / реакцию, компенсации остаточных напряжений, вызванных различными термическими и механическими свойствами между материалами. основные материалы, претерпевающие изменение температуры.Каждый процесс соединения характеризуется методами и условиями, используемыми для достижения тесного контакта и содействия образованию связи между деталями.

4. Проблемы пайки металлокерамики

Пайка - это процесс соединения одинаковых или разнородных материалов с использованием присадочного металла [35, 36]. Наплавочный металл нагревается немного выше его точки плавления, поэтому он течет, но температура остается ниже, чем точка плавления металлических керамических соединений (Рисунок 11). Флюс или инертная атмосфера используются для защиты двух соединенных поверхностей и припоя от окисления во время процесса нагрева.Наполнитель течет по основному металлу и керамике, а затем вся сборка охлаждается, чтобы соединить детали вместе. Пайка создает очень прочные неразъемные соединения. Пайка также считается хорошо зарекомендовавшим себя коммерческим процессом для металлических керамических соединений [37], где она широко используется в промышленности в различных частях, потому что почти любой металлический и керамический материал может быть соединен с помощью этого процесса. Как правило, пайка легко выполняется вручную, но во многих случаях при необходимости ее можно также легко автоматизировать.

Рисунок 11.

Схема пайки [38].

Пайка имеет множество преимуществ по сравнению с другими методами соединения металлов, например сваркой [39]. Поскольку пайка не расплавляет основной металл соединения, она позволяет более точно контролировать упругость и обеспечивает идеальное соединение без необходимости дополнительной обмотки. Кроме того, можно паять разнородные металлы и керамику. В общем, пайка также создает меньшую тепловую деформацию, чем сварка, из-за равномерного нагрева паяной детали [39].Сложные и состоящие из нескольких частей сборки можно экономично спаять. Другая особенность состоит в том, что пайку можно покрывать или плакировать в защитных целях. Наконец, пайка эффективно приспособлена для крупномасштабного производства, и ее совсем не сложно механизировать на том основании, что индивидуальные параметры процедуры менее чувствительны к разнообразию [40].

Одним из основных недостатков является отсутствие прочности соединения по сравнению со сварным соединением из-за использования более мягких присадочных металлов.Прочность паяного соединения может быть не такой большой, как у основного металла, а больше, чем у присадочного металла [41]. Еще один недостаток - паяные соединения могут быть повреждены при высоких температурах. Соединения паяных материалов в промышленных условиях требуют высокой степени чистоты. Кроме того, в некоторых случаях применения пайки для поддержания чистоты требуется использование удовлетворительных флюсов. Цвет стыка часто отличается от цвета основного металла, что является стильным недостатком.

Две основные проблемы

.

Технические материалы

Инженеры должны знать самые лучшие и экономичные материалы для использования. Инженеры также должны понимать свойства этих материалов и то, как с ними можно работать. В машиностроении используются два вида материалов (1) металлы и неметаллы. Металлы отличаются от неметаллов своей высокой проводимостью для тепла и электричества, металлическим блеском (2) и своей устойчивостью к электрическому току. Их свойства, такие как прочность (3) и твердость (4), можно значительно улучшить на

.

легирование (5) их другими металлами.

Мы можем разделить металлы на черные и цветные (6). Первые содержат железо, а вторые (7) не содержат железа. Чугун (8) и сталь, которые являются сплавами или смесями железа и углерода, являются двумя наиболее важными черными металлами. Есть и другие важные группы металлов и сплавов. Обычные металлы, такие как железо, медь, цинк и т. Д., Производятся в больших количествах. Алюминий, медь и сплавы (бронза и латунь) - обычные цветные металлы. К так называемым драгоценным металлам относятся серебро, золото, платина и палладий.К легким металлам относятся алюминий, бериллий и титан. Они важны в авиастроении и ракетостроении.

Многие элементы классифицируются как полуметаллы (например, висмут), потому что они имеют гораздо более низкую проводимость, чем обычные металлы. Неметаллы (углерод, кремний, сера) в твердом состоянии обычно являются хрупкими материалами без металлического блеска и обычно плохо проводят электричество. Неметаллы демонстрируют большее разнообразие химических свойств, чем обычные металлы. Пластмассы и керамика неметаллы; однако пластмассы можно обрабатывать (9) как металлы.Пластмассы подразделяются на термопласты (10) и реактопласты (11). Термопластам можно придать форму и изменить форму под воздействием тепла и давления, но термореактивные пластмассы не могут быть изменены, потому что они претерпевают химические изменения по мере затвердевания (12). Инженеры часто используют керамику, когда требуются материалы, способные выдерживать высокие температуры.

Материаловедение и технология - это изучение материалов и способов их изготовления для удовлетворения потребностей (13) современных технологий. Ученые находят новые способы использования металлов, пластмасс и других материалов.Для этого они используют лабораторные методы и знания физики, химии и металлургии.

Неметаллы

Неметаллы - это пластмассы и керамика. Неметаллы в твердом состоянии обычно являются хрупкими (1) материалами без металлического блеска (2) и обычно являются плохими проводниками (3) электричества. Неметаллы демонстрируют большее разнообразие химических свойств, чем обычные металлы. Пластмассы - это большая группа материалов. Они состоят из комбинаций углерода и кислорода, водорода, азота и других органических и неорганических элементов.Пластмассы - это результат синтеза таких природных материалов, как вода, воздух, соль, уголь, нефть и природный газ. Технология простая и дешевая. В готовом состоянии они твердые, а на каком-то этапе производства - жидкие. Вот почему из пластика легко придать различную форму.

Сегодня в коммерческом использовании используется более 40 различных семейств пластмасс, и у каждого могут быть десятки разновидностей. Пластмассы легкие, прочные и устойчивые к коррозии (4). Они получили множество важных применений в промышленности и на транспорте.Инженеры используют пластмассы в электрическом и электронном оборудовании, сельском хозяйстве, товарах народного потребления (5). Сейчас нет индустрии, где бы не использовались пластмассы.

Технология волокна (6) в ее современной форме возникла позже, чем пластмасса. Промышленность волокна можно разделить на натуральные волокна (растительного, животного или минерального происхождения) и синтетические волокна. Многие синтетические волокна заменили натуральные, потому что они часто ведут себя более предсказуемо (7) и обычно более однородны по размеру.Для инженерных целей наиболее важны стекло, металлические и синтетические волокна органического происхождения.

В настоящее время керамика приобретает все большую популярность в промышленности. Современные (8) керамические материалы обладают настолько интересными свойствами, что инженеры-механики все больше интересуются их использованием в качестве конструктивных элементов (9). Керамический режущий инструмент (10) используется уже некоторое время. Однако только в течение последних двадцати лет в этой области произошло быстрое развитие из-за разработки новой композитной (11) керамики.

Недавно инженеры разработали различные виды композитной керамики, которые должны сочетать повышенную вязкость (12) с такой же твердостью (13) и прочностью (14), как у обычной керамики. Таким образом, композитная керамика для режущего инструмента при комнатной и высокой температуре должна обладать следующими свойствами: высокой прочностью, ударной вязкостью, твердостью, высокой термостойкостью (15) и высокой химической инертностью.

Инженеры должны знать лучшие и наиболее экономичные материалы для использования, понимать свойства этих материалов и способы их обработки.

Станки

Металл проходит ряд процессов, прежде чем ему придана необходимая форма: литье (1), прокатка (2), сварка (3), прошивка (4), обрезка (5), прядение (6), гибка (7) , рисование (8) и др. Машины, выполняющие все эти виды работ, называются станками. Станки - это стационарные машины с механическим приводом, используемые для формования твердых материалов, особенно металлов. Станки составляют основу современной промышленности.

Станки можно разделить на три основные категории: обычные станки для производства стружки, прессы и нетрадиционные станки. Обычные инструменты для обработки стружки формируют заготовку, отрезая нежелательную часть в виде стружки. В прессах используется ряд различных процессов формования, в том числе резка (9), прессование или вытяжка (удлинение).

Нетрадиционные станки используют световую, электрическую, химическую и звуковую энергию; перегретые газы; и пучки частиц высокой энергии для придания формы экзотическим материалам и сплавам, которые были разработаны для удовлетворения потребностей современных технологий.

Огранка - одно из древнейших искусств каменного века, но огранка металлов считалась возможной только в 18 веке, и ее подробное изучение началось около ста лет назад. Современные станки появились примерно в 1775 году, когда английский изобретатель Джон Уилкинсон сконструировал горизонтально-расточной станок для изготовления внутренних цилиндрических поверхностей. Около 1794 года Генри Модслей разработал первый токарный станок для двигателей. Позже Джозеф Уитворт разработал измерительные приборы с точностью до миллионной доли дюйма.Его работа имела большую ценность, потому что точные методы измерения были необходимы для последующего массового производства изделий со сменными (10) деталями.

В течение 19 - века такие стандартные станки, как токарные, формовочные (11), строгальные (12), шлифовальные и пилы, а также фрезерные, сверлильные и расточные станки достигли высокой степени точности, и их использование стало широко распространенным в промышленно развивающихся странах.

Сегодня все операции обработки выполняются точнее и быстрее за счет автоматизации всех производственных процессов.Станки с числовым программным управлением (13) (NC) и гибкие производственные системы (14) (FMS) сделали возможным выполнение работы автоматически. Оператор только наблюдает за ними и исправляет их, когда они выходят из строя.

Большинство операций механической обработки выделяют большое количество тепла и используют охлаждающие жидкости (обычно смесь воды и масел) для охлаждения и смазки. Охлаждение увеличивает срок службы инструмента и помогает стабилизировать размер готовой детали. Смазка снижает трение.

Большинство материалов и их сплавов поддаются обработке с легкостью, другие - с трудом.Обрабатываемость (15) включает три фактора: 1. Легкость удаления стружки. 2. Легкость получения хорошей поверхности. 3. Простота получения хорошей стойкости инструмента.

:

.

Керамика может деформироваться, как металлы, если спекаться под действием электрического поля, как показывают исследования - ScienceDaily

Исследователи Purdue обнаружили способ преодоления хрупкости керамики, поскольку она выдерживает большие нагрузки, что приводит к созданию более упругих структур, таких как авиационный двигатель. покрытия для лезвий и дентальные имплантаты.

В то время как по своей природе прочная, большая часть керамики имеет тенденцию внезапно ломаться при небольшом напряжении под нагрузкой, если не подвергается воздействию высоких температур. Структурные керамические компоненты также требуют высоких температур для формирования, в первую очередь, в ходе длительного процесса, называемого спеканием, при котором порошкообразный материал объединяется в твердую массу.

Эти проблемы представляют особую проблему для керамических покрытий металлических лопаток двигателей, предназначенных для защиты металлических сердечников от диапазона рабочих температур. Исследование, опубликованное в Nature Communications , впервые демонстрирует, что приложение электрического поля к образованию оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), типичной термобарьерной керамики, делает этот материал почти таким же пластичным или легко изменяемым, как металл. комнатная температура. Инженеры также могли видеть трещины раньше, поскольку они начинают медленно образовываться при умеренной температуре, а не при более высоких температурах, что дает им время для спасения конструкции.

«Раньше, когда мы прикладывали большую нагрузку при более низких температурах, большое количество керамических изделий могло катастрофически разрушаться без предупреждения», - сказал Синхан Чжан, профессор материаловедения. «Теперь мы видим, как появляются трещины, но материал остается целым; это предсказуемый отказ и намного безопаснее для использования керамики».

Недавние исследования показали, что приложение электрического поля или «вспышки» значительно ускоряет процесс спекания, который формирует YSZ и другую керамику, и при гораздо более низких температурах печи, чем обычное спекание.Керамика, спеченная методом оплавления, также имеет очень небольшую пористость, что делает ее более плотной и, следовательно, более легкой в ​​деформации. Еще никто не проверял способность спеченной оплавлением керамики изменять форму при комнатной температуре или все более высоких температурах.

«YSZ - очень типичное термобарьерное покрытие - оно в основном защищает металлическую сердцевину от тепла», - сказал Хайян Ван, профессор технических наук из Purdue Basil S. Turner. «Но он часто страдает от множества переломов, когда двигатель нагревается и остывает из-за остаточных напряжений.«

То, что позволяет металлам быть устойчивыми к излому и легко изменять форму, - это наличие «дефектов» или дислокаций - дополнительных плоскостей атомов, которые перемещаются во время деформации, заставляя материал просто деформироваться, а не ломаться под нагрузкой.

«Эти дислокации будут двигаться при сжатии или растяжении, так что материал не разрушится», - сказал Джэхун Чо, научный сотрудник в области материаловедения.

Керамика обычно не образует дислокаций, если не деформируется при очень высоких температурах.Однако их мгновенное спекание приводит к появлению этих дислокаций и уменьшению размера зерна в конечном материале.

«Более мелкие зерна, такие как нанокристаллические зерна, могут скользить по мере деформации керамического материала, помогая ему лучше деформироваться», - сказал Ван.

Существовавшие ранее дислокации и мелкие размеры зерна позволили спеченному оплавлением YSZ-образцу тоньше человеческого волоса стать более пластичным при сжатии от комнатной температуры до 600 градусов Цельсия, при этом трещины начали медленно распространяться при 400 градусах, в отличие от спеченного традиционным способом YSZ, который для пластической деформации требуется 800 градусов и выше.

Повышенная пластичность означает большую стабильность при работе при относительно низких температурах. Образец также мог выдержать почти такую ​​же деформацию сжатия, какую выдерживают некоторые металлы до появления трещин.

«Металлы можно сжимать до деформации 10 или 20 процентов, без проблем, но керамика часто ломается на куски, если сжимать их до деформации менее 2–3 процентов», - сказал Чжан. «Мы показываем, что спеченная оплавлением керамика может быть сжата до 7-10 процентов без катастрофического разрушения.«

Даже когда образец действительно начинал трескаться, трещины образовывались очень медленно и не приводили к полному разрушению, как это обычно происходит с обычной керамикой. Следующие шаги будут использовать эти принципы для создания еще более упругих керамических материалов.

Исследователи не смогли бы провести эксперименты на месте с керамическим образцом микронного размера без инструмента для наномеханических испытаний на месте в сканирующем электронном микроскопе с высоким разрешением, оснащенном сфокусированным железным пучком в Центре микроскопии наук о жизни Purdue. и установка электронного микроскопа FEI Talos 200X на предприятии материаловедения Purdue.Оба микроскопа были предоставлены Управлением исполнительного вице-президента Purdue по исследованиям и партнерским связям, а также инженерными и научными колледжами. Purdue ожидает микроскоп с еще более высоким разрешением с коррекцией аберраций, который исследователи вскоре будут использовать для будущих исследований наноматериалов.

Это исследование под руководством Purdue проводится при поддержке Управления военно-морских исследований в сотрудничестве с Калифорнийским университетом, Дэвисом и университетом Рутгерса.

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом Пердью .Оригинал написан Кайлой Уайлс. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

.

Смотрите также