Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

воздуха по всей поверхности, замораживая структуру с меньшей плотностью. Перестройка структуры в объеме стекла при охлаждении создает в слое напряжения сжатия. В итоге прочность увеличивается в 3 - 4 раза, а сопротивление удару — в 5 - 7 раз. Закаленное стекло нельзя резать или сверлить, оптические свойства закаленного стекла хуже, чем отожженного.

Химико-термическая обработка заключается в частичной замене ионов натрия в поверхностном слое более крупными ионами лития или калия. Для этого изделие погружают в соляную ванну с ионами этих элементов, при температуре ниже tCT и выдерживают несколько часов. После охлаждения обработанного изделия в поверхностном слое создаются сжимающие напряжения. Эта обработка пригодна для изделий сложной формы, в том числе тонкостенных и полых.

Стекло взаимодействует со многими химически активными веществами, которые можно разделить на две группы. В первую группу входят вода и водные растворы кислот и солей; во второую — кислоты HF и Н3РО4, концентрированные растворы щелочей и карбонатов.

Вода и водные растворы реагируют с оксидами Ме2О и МеО стекла, не затрагивая сетку тетраэдров [SiO4]. Продукты реакций образуют пленку, которая останавливает дальнейшее разрушение стекла. Известны стеклянные изделия древности, не разрушенные длительным контактом с атмосферой, водой и, возможно, водными растворами. Итогом химического разрушения поверхностного слоя стала потеря изделием прозрачности.

Вещества второй группы разрушают кремнекислородный каркас стекла и не создают защитную пленку на поверхности. В этих средах стекло химически неустойчиво.

Стекло достаточно устойчиво в воде и водных растворах и не взаимодействует с органическими жидкостями, включая топливо и смазочные масла. Стойкость стекла можно повысить, уменьшив содержание оксидов Ме2О и МеО и увеличив содержание В2О3, AI2O3, Т1О2, ZrO2. В особых случаях коррозионную стойкость стекла повышают, изменяя его химический состав. Так, медицинские стекла должны выдерживать кипячение и действие пара при 100° С; кроме того, они не должны изменять свойств жидких лекарств. Стекла для химико-лабораторной посуды также должны быть повышенной стойкости.

Выщелачивание стекла водой в ряде случаев препятствует его использованию для стеклянной тары. Нельзя применять стекло для пищевых продуктов, если они могут загрязниться содержащимися в нем вредными примесями, например РbО.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропуеканием, показателем преломления и дисперсией — зависимостью показателя преломления от длины волны излучения. Показатель преломления уменьшается, когда увеличивается длина волны. Дисперсия k = (ne — 1)/nF‘-nC‘), где пе, пF‘ и nC‘ — показатели преломления трех длин волн: зеленой линии ртути, а также голубой и красной линии кадмия соответственно.

Оптические стекла разделяют на кроны (n = 1,47... 1,67, k = = 70 ... 51) и

флинты (n = 1,52 ... 1,90,k = 54 ... 15).

Силикатные стекла пропускают в основном видимый свет с длинами волн 400 - 740 нм; ультрафиолетовое излучение с длинами волн 180 - 400 нм пропускают кварцевые и фторбериллатные стекла. Непрозрачные для видимого света халькогенидные стекла проницаемы для инфракрасного излучения с длинами волн 740 - 5000 нм.

Прохождение света через стекло сопровождается отражением света от поверхности и поглощением в стекле. Коэффициент пропускания представляет собой отношение интенсивностей двух потоков света: прошедшего и исходного: τ = Iпрош/Iисх 100 %. Для обычного щелочного стекла τ = 84...

90 %, так как 8 - 9% потока отражается и 2,5 - 7 % поглощается стеклом. Максимальное прохождение достигается в случае использования

гладких полированных поверхностей стекла. Замена полированной поверхности на матовую превращает зеркальное отражение в диффузионное и уменьшает вдвое пропускание света.

Чтобы снизить потери на отражение, на поверхность стекла наносят тонкую пленку, вещество которой имеет показатель преломления

n1 = (n)½

(n — показатель преломления стекла). Минимум потерь достигается при толщине пленки d/n, где d — оптическая толщина пленки, равная λ/n; λ

— длина волны света той части спектра, где необходима максимальная пропускная способность.

Стекло легко окрашивается при помощи создания в структуре так называемых центров окраски с помощью легирования

Кристаллизация, остаточные напряжения, дефекты, расположенные в объеме стекла (газовые пузыри, частицы огнеупоров, свищи), портят прозрачность и другие оптические параметры стекла. Поэтому для создания оптимальной структуры и приведения свойств стекла в соответствие с предъявляемыми к нему требованиями изделия отжигают.

По сравнению с оптически прозрачными полимерами стекло имеет следующие преимущества: более широкий набор оптических характеристик и возможность их изменения, постоянство свойств в широком интервале температур, отсутствие старения. Полимеры с аморфно-кристаллической структурой сохраняют прозрачность, пока размер кристаллов меньше половины длины волны света и показатели преломления для кристаллической и аморфной составляющих имеют близкие значения. Чтобы получить требуемую прозрачность, к чистоте полистирола, поликарбоната, органического стекла предъявляют такие же жесткие требования, как и к оптическому стеклу. Преимуществом полимеров является легкость их переработки в изделия — детали оптических систем и волокна для систем сбора и передачи информации.

Волоконная оптика используется в системах дальней связи, кабельном

телевидении, системах передачи информации. Волоконно-оптические линии связи соединяют автоматические телефонные станции, отстоящие между собой на сотни километров. Подводный волоконный кабель протяженностью 6500 км соединил Европу и США, кабель обеспечивает одновременную передачу 12000 телефонных разговоров. Волоконный кабель имеет многожильный световод из стеклянных волокон в защитных оболочках с амортизирующими слоями. Внешний диаметр оболочки световода имеет стандартный размер 125 мкм.

При прохождении оптического сигнала его интенсивность уменьшается из-за собственного поглощения и рассеяния света материалом волокна, поглощения примесями. Собственное поглощение света затрагивает ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра, примеси создают полосы поглощения в пределах окна прозрачности кварцевого стекла 0,8 - 1,6 мкм. Кроме поглощения наблюдается рассеяние из-за неоднородностей с размерами около 0,1 длины волны. Причинами рассеяния являются неоднородности плотности и химического состава. Неоднородности плотности возникают из-за хаотических конвекционных потоков в стекломассе перед ее затвердеванием. При введении легирующих примесей появляется дополнительный источник рассеяния, обусловленный колебаниями химического состава.

Потери при прохождении света характеризуются коэффициентом поглощения α (в дБ/км)

где L — длина световода, км; Iвх, Iвых — интенсивность входного и выходного потока соответственно, Вт/м2.

Для магистральных линий связи длиной свыше 1000 км коэффициент а должен быть не более 0, 3 ... 0,7 дБ/км.

Свет, движущийся по стеклянному волокну, поглощается на всем пути. При коэффициенте поглощения 0,1 дБ/км интенсивность светового потока на расстоянии 1 км от входа уменьшается всего на 3,5%. Фактические потери оказываются больше, вдоль линии связи размещают ретрансляторы для усиления сигнала. Расстояние между ретрансляторами составляет свыше 60 км; оно в несколько раз превышает расстояние между ретрансляторами в обычных проводных линиях связи.

Низкий уровень потерь обеспечивается высоким качеством стекла и устройством световода. Для получения качественного стекла необходимо снизить общее содержание примесей — ионов переходных металлов и ОН~ до 10~7 %. Чистое кварцевое стекло для волоконной оптики получают газофазным методом. Для сглаживания различий между потоками света, проходящими пути разной длины из-за неодинаковых условий полного отражения, волокно имеет центральную часть с более высоким показателем преломления по сравнению с периферийной частью.

Преимуществами волоконной оптики являются экономичность систем

передачи информации, защищенность от помех, быстрота действия и надежность.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗНОСА И ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ

Износостойкость — свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание — процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ),

уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ). Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости

ид или интенсивности изнашивания. Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе h, тем выше ресурс работы t узла трения:

t = h/vh.

Скорость изнашивания и износ зависят от времени. Существуют три периода износа (рис. 11.1):

I — начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает

спостоянно замедляющейся скоростью;

II — период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость % изнашивания;

III - период катастрофического износа.

Рис. 11.1. Изменение износа h во времени (схема) износа.

Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. При выборе материала необходимо учитывать, что критерии его износостойкости зависят не только от свойств поверхностного слоя материала, но в сильной степени от условий его работы. Условия работы отличаются таким большим разнообразием, что не

существует универсального износостойкого материала. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяют экспериментальным путем.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех групп факторов:

1)внутренних, определяемых свойствами материалов;

2)внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура);

3)рабочей среды и смазочного материала. Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания (ГОСТ 23.002-78):

абразивное, адгезионное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро-и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-процесс при механическом способе воздействия;

окислительное, фреттинг-коррозия при коррозионно-механическом воздействии.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).

Характерные виды изнашивания деталей первой группы — абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (например, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газа), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).

Различные виды изнашивания по закономерностям протекания весьма разнообразны.

МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ ТВЁРДОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТИ

Высокая твердость поверхности — необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостном видах изнашивания наиболее износостойки стали и сплавы с высокой исходной твердостью поверхности. При работе в условиях больших давлений и ударов наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за интенсивного деформационного упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации.

МАТЕРИАЛЫ, УСТОЙЧИВЫЕ К АБРАЗИВНОМУ ИЗНАШИВАНИЮ

Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов (рис.