Какими механическими свойствами характеризуется конструкционные материалы. Смотреть что такое "Конструкционные материалы" в других словарях
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ - основные виды материалов, из которых изготовляются машины, оборудование, приборы, сооружаются каркасы зданий, мосты и другие конструкции и которые несут основную силовую нагрузку при их эксплуатации.
Конструкционные материалы классифицируются по широкому кругу признаков: по применяемости - в машиностроении, в строительстве; по природе образования - металлические, неметаллические, композиционные; по реакции на внешние воздействия - горючие, коррозионно-устойчивые, жаростойкие, хладостойкие; по свойствам, проявляемым при различных методах обработки,- пластичные, тугоплавкие, свариваемые, склонные к образованию трещин, закаливаемые и т. д.; по способам получения - сплавы, прессованные, катаные, тканые, формованные, пленки.
Другим примером уже широко используемых функциональных материалов является газовый датчик. Некоторые вещества, особенно оксиды полупроводников, обеспечивают электрический отклик, который изменяется в зависимости от того, какие молекулы присутствуют в окружающей среде. Молекулы, наносящие на поверхность материала и химически взаимодействующие с ним, изменяют электрический сигнал, создаваемый датчиком, тем самым обнаруживая присутствие веществ даже в очень малых количествах. Среди функциональных материалов имеется также сегнетоэлектрический оксид, такой как титанат бария, акустический волновой датчик, такой как ниобат лития, светосигнальные устройства, такие как сульфид и кадмий-теллус, высокотемпературные сверхпроводники.
Важными показателями конструкционных материалов являются их прочностные качества - сопротивление сжатию, растяжению, работа на изгиб, выносливость при вибрационных нагрузках, а также ряд специальных свойств, учитываемых при проектировании машин, оборудования, строительных сооружений. Среди них - легкость при определенных прочностных качествах, сопротивляемость износу, электро- и теплопроводность, способность пропускать газы и др.
В последние годы благодаря развитию нанотехнологий, способных манипулировать молекулярным материалом и генерирующими системами и устройствами с нанометровым размером, были разработаны новые материалы с удивительными функциями. Эти материалы являются основой реальной революции и призваны оказать глубокое влияние на наш образ жизни в ближайшие десятилетия. Некоторые из них характеризуются их структурными свойствами, но большинство привлекает интерес как исследователей, так и рынка к способности выполнять новые и более сложные функции.
При выборе конструкционных материалов в процессе проектирования изделий используются их технико-экономические параметры - стоимость, коэффициент использования и трудоемкость в разных условиях обработки и т. п. В современных условиях, когда на первый план выдвинута задача кардинального повышения технического уровня и качества продукции, особенно машин и оборудования, всемерной экономии материальных ресурсов, внедрения ресурсосберегающих технологий, снижения массы конструкций при повышении их надежности, требования к качественным показателям конструкционные материалы резко возросли и усложнились.
Часто такие расширенные функциональные материалы называются умными, чтобы указать на их способность выполнять функции высшего типа. В настоящее время мы рассматриваем материалы с несколькими функциями одновременно, такие как краска, которая в то же время защищает продукт от коррозии и помогает уменьшить загрязнители окружающей среды или водоотталкивающая ткань, которая, защищая ее от влаги, также способна вырабатывать электричество при воздействии света, например. фотогальваническая батарея. Эти материалы определяются как многофункциональные и фокусируют на них важную часть исследований в современной науке о материалах.
Например, необходимы конструкционные материалы легкие и в то же время жаропрочные, сохраняющие прочность как при высоких, так и при низких температурах, пластичные и хорошо выдерживающие ударные нагрузки и т. п. Такие требования обусловили появление ряда новых конструкционных материалов. Перспективными являются сплавы на основе алюминия, титана и особенно магния.
Приложения и задачи, которые могут быть сделаны из интеллектуальных материалов, много и чаще всего множественны, поэтому их классификация обязательно произвольна. Его можно было бы предложить на основе химической природы материала: органических или полимерных материалов, неорганических твердых оксидов, металлов, полупроводников. Часто, однако, при изготовлении интеллектуальных материалов наилучшие результаты могут быть достигнуты путем комбинирования различных материалов, например. органические и неорганические, чтобы получить совершенно новые функции по сравнению с отдельными компонентами.
С повышением требований к прочностным свойствам, а также к сохранению этих свойств в различных экстремальных условиях связано новое направление получения конструкционных материалов, а именно синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств - предельно прочные, тугоплавкие, термостабильные и т. д. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются различные волокна, нити, проволоки, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвердые и тугоплавкие соединения, окислы, карбиды, которые составляют либо армировку, либо наполнитель композиционного конструкционного материала.
Поэтому возможно, что классификация только в соответствии с химической и электронной природой материалов смущает. Другой метод классификации может быть основан на том, как такие материалы получают: через различные процессы химического синтеза на мокрой или газообразной фазе путем прямого комбинирования существующих материалов или с помощью новых методов подготовки, таких как самосборка. Понятно, что такая классификация будет интересна только специалисту, но не имеет реальных преимуществ. Это не означает, что подготовительный аспект данного материала не важен, наоборот.
Подобные конструкционные материалы по определенным показателям могут превышать все известные исходные материалы. Новые прочностные качества конструкционных материалов получаются путем специальной обработки металлов, газотермического напыления металлических порошков и др.
Научно-технический прогресс в машиностроении и строительстве требует дальнейшего улучшения качества всех видов конструкционных материалов и развития технологии их обработки. XXVII съезд КПСС подчеркнул необходимость улучшить структуру и качество конструкционных материалов, исходя из задач создания новой, прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в развитии экономики.
Сегодня устойчивость и коммерческий интерес нового продукта основываются не только на его свойствах, но и на ряде соображений, касающихся его воздействия на окружающую среду, наличия сырья и издержек производства. Из-за их необычных свойств функциональные материалы и их устройства могут иметь приложения в рыночных областях, где стоимость не является серьезной проблемой, и функция становится главной целью. Например, топливные элементы. Процессы, основанные на этих устройствах, пока еще не являются экономически интересными для их крупномасштабного применения.
Предусматривается ускоренное развитие производства экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов, расширение номенклатуры продукции, улучшение технико-экономических и повышение прочностных и антикоррозийных характеристик конструкционных материалов. Решение этой задачи имеет особенно важное значение в связи с растущим влиянием конструкционных материалов на ускорение научно-технического прогресса.
С другой стороны, настройка топливных элементов, которая может работать очень долго, может представлять большой интерес для потребительской электроники и найти рынок, несмотря на постоянные издержки. Подразделение, принятое в этой статье, относится к основным приложениям функциональных или интеллектуальных материалов, учитывая, что аспект многофункциональности по-прежнему является дополнительным значением и теоретически является материалом, способным вырабатывать электричество и защищать его от загрязнения следует классифицировать по категориям как энергетических, так и экологических материалов.
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра инженерной графики
РЕФЕРАТ
На тему:
«Конструкционные материалы»
МИНСК, 2008
Требования к конструкционным материалам
Качество детали и механизма зависит в значительной мере от правильного выбора материала. При выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность – способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций, характеризуется пределом прочности σ u , пределом текучести σ y , условным пределом текучести σ 0,2 , пределом выносливости σ R , твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRC э; износостойкость – способность материала сопротивляться износу, характеризуется твердостью НВ, HRC э или допустимым удельным давлением q adm ; жесткость – способность материала сопротивляться упругим деформациям, характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е , при кручении – модулем упругости G ; упругость характеризуется пределом упругости σ e и модулем упругости Е ; антифрикционность характеризуется коэффициентом трения скольжения f; плотность ; удельные характеристики – характеристики, приходящиеся на единицу массы; электропроводность , теплопроводность , коррозионная стойкость , жаропрочность и др.
Далее следует и не может быть полный и исчерпывающий список. Цель - скорее проанализировать, не углубляя, возможности таких систем, иногда выраженные, иногда скрытые и подлежащие исследованиям. Таким образом, классификация относится к некоторым из великих проблем и проблем, с которыми сталкивается современное общество.
Материалы для фотоэлектрической энергии. Решение энергетической проблемы обязательно связано с разработкой новых технологий. Среди них трансформация солнечной энергии в фотогальваническое электричество является одним из важнейших процессов. Однако его использование по-прежнему ограничено высокими затратами и низкой отдачей. Поиск новых материалов, которые могут снизить издержки производства и повысить эффективность, имеет решающее значение для решения проблемы.
Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами. При изготовлении деталей методами обработки давлением (штамповка, прессование и т.д.) учитывают пластичность – свойство материала получать без разрушения значительные остаточные деформации; при изготовлении литьем учитывают легкоплавкость и жидкотекучесть – заполняемость без пустот узких полостей различных форм; при изготовлении методами механической обработки учитывают обрабатываемость резанием . К технологическим требованиям относят также термообрабатываемость – способность материала изменять механические свойства при термической (закалка, отпуск, отжиг) и термохимической (цементация, азотирование и т.д.) обработках и свариваемость – способность материала образовывать прочные соединения при сварке.
Производство фотоэлектрической энергии основано на использовании полупроводниковых материалов. Поглощая фотоны светящейся энергии, электроны переходят из полного состояния в пустые, преодолевая разделяющую их энергетическую щель. Если вы обратитесь к двум полупроводникам, соответствующим образом легированным атомами других элементов, таких как бор и фосфор, под действием света создается разница в электрическом потенциале, который может быть использован для создания работы. Это явление известно с 1950-х годов и привело к развитию солнечных элементов.
Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производствах дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за большой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги, здесь выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.
Фактически, более подходящая классификация основана на разных поколениях солнечных элементов. Те из первого поколения используют очень чистую монокристаллическую кремниевую пластину и имеют высокие затраты из-за сложных производственных процессов такого материала. Однако клетки второго поколения используют тонкопленочные технологии, полученные с аморфными или поликристаллическими полупроводниками. При использовании материалов низкого качества с меньшей эффективностью преобразования эти ячейки должны обеспечивать значительно более низкую стоимость электроэнергии на единицу, чем мощность первого поколения.
При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.
Черные металлы
К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.
Наконец, клетки третьего поколения основаны на разных материалах с более или менее перспективными характеристиками в зависимости от случая, но все они разработаны с особым намерением значительно улучшить существующую взаимосвязь между издержками производства и производимой энергией. Среди этих материалов или их комбинаций, по крайней мере, три заслуживают упоминания.
Объединив в одном устройстве две или более ячеек различных материалов, способных эксплуатировать различные области солнечного спектра, были созданы многочисленные соединительные ячейки, которые получили очень высокие урожаи и были использованы в телекоммуникационных спутниках. Наземные приложения таких систем не ожидаются в краткосрочной перспективе из-за высоких издержек. В последние несколько лет также были проведены очень интенсивные исследования в области органических клеток, которые предполагают использование молекулярных полупроводников.
Чугуны
Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.
В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава – на легированные и нелегированные.
Они имеют то преимущество, что органический исходный материал является недорогим и легким в производстве, не требуя чистых условий, как это имеет место для производства кристаллического кремния. Кроме того, органические полупроводники представляют собой гибкие и полупрозрачные материалы, которые также могут быть напечатаны на разных поверхностях, включая одежду.
Однако на данный момент они имеют очень низкую эффективность, менее 5%, и характеризуются плохой стабильностью и тенденцией к деградации. Третий тип клеток нового поколения - фотоэлектрохимический; также известны как клетки Гретцеля, имя швейцарского исследователя, впервые познакомившего их в начале 1990-х годов. Эти клетки основаны на неорганическом неорганическом материале, двуокиси титана. Этот полупроводниковый оксид также способен захватывать электромагнитное излучение электронами возбуждения из валентной зоны в зону проводимости, тем самым создавая носители заряда, электроны или промежутки, которые могут переносить электрический ток.
Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.
Такие молекулы ведут себя как антенны, которые захватывают световую энергию и передают ее диоксиду титана, генерируя свободные электроны и промежутки, которые приводят к разнице в электрическом потенциале. Эти ячейки также имеют ограниченную эффективность и, следовательно, еще не конкурентоспособны на фотоэлектрическом рынке; однако в ближайшие несколько лет можно надеяться на повышение эффективности до 15%. Функционированные материалы для катализа.
Катализатор представляет собой вещество, способное ускорять химическую реакцию путем снижения активационного барьера, но при этом не потребляется во время процесса. В этом смысле катализ является одним из основных видов деятельности с точки зрения энергосбережения. Большинство катализаторов состоят из металлов, которые имеют функцию ослабления связей молекул, которые должны будут реагировать, что облегчает разрыв. Поиск новых материалов для процессов гетерогенного катализа, в которых катализатор твердый, а вещества, подлежащие трансформированию, являются жидкостью или газом, имеет фундаментальное значение как с точки зрения снижения потребления энергии, так и для улучшения качества воздуха.
В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.
Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.
Примеров в этой области так много, и даже краткий обзор невозможен. Поэтому в этом контексте мы ограничиваемся предоставлением некоторых примеров функционализации материалов для каталитических применений. Большая часть каталитических процессов протекает на материалах с высокой пористостью, некоторые из которых, такие как синтетические цеолиты, имеют четко определенную сеть обычных каналов и полостей, внутри которых происходят химические реакции. Благодаря очень высокой площади поверхности эти материалы способны адсорбировать большое количество веществ.
Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.
Кроме того, возможность химической модификации микро - и нанопористых стенок позволяет изменять свойства материала. Например, наличие переходных металлов приводит к окислительным свойствам: введение щелочноземельных металлов увеличивает основные свойства; включение вместо лантаноидов приводит к кислотным свойствам и явлениям люминесценции.
Фотокатализ - это процесс, который объединяет некоторые типичные аспекты генерации энергии с поглощением фотонов видимого света с характеристиками каталитических химических реакций. Фотокатализатор использует солнечную энергию, чтобы возбуждать электроны материала из полосы в зону проводимости, создавая промежутки. Новизна фотовольтаического процесса генерации энергии заключается в том, что в фотокатализаторе электроны и соответствующие промежутки мигрируют на поверхность частицы, где они химически взаимодействуют с поглощенными газообразными молекулами.
Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).
Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм 2) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет σ ut = 18 кгс/мм 2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм 2) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 – высокопрочный чугун с σ ut = = 600МПа и δ = 2%.
Стали
Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.
По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.
В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.
По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.
По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 – Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы – А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В – химический состав и механические свойства.
Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Например, сталь Ст2кп – сталь группы А, кипящая; БСт3пс – сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп – сталь группы В, спокойная.
Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.
Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрами, которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9% углерода.
Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре. Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей – в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т – титан, С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам и т.п. Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%. Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш –шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 – с содержанием хрома ≈ 1,5%), Э – электротехническая и т.д. Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток – большая плотность и, как следствие, небольшая удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей для подобных целей дорого.Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно- (рис. 1, а) и неравнобоких уголков (рис. 1, б), двутавров (рис. 1, в), швеллеров (рис. 1, г) и других видов профилей разных размеров, оговоренных стандартами.
а б в г
Цветные металлы и сплавы
Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.
Медь и ее сплавы
Медь в чистом виде характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах – иные элементы.
Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А – алюминий, Н – никель, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, К – кремний, Ф – фосфор, Т – титан.
Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие – легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное – цинк.
Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.
Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.
Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л – для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.
Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.
Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.
Алюминий и его сплавы
Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.
Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Первые называют дуралюминами (марки Д1, Д16), из вторых наиболее часто применяется сплав марки АМг6. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).
Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности σ ut и текучести σ у). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al 2 O 3 , образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al 2 O 3 (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.
Из литейных алюминиевых сплавов наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.
Алюминий и его сплавы трудно паяются.
Пластмассы
Из неметаллических материалов широко используют пластмассы. Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических смол (полимеров), которые при определенных температуре и давлении приобретают пластичность, а затем затвердевают, сохраняя форму при эксплуатации. Кроме связующего вещества (полимера) в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.
Полимером служат различные смолы, которые в период формирования деталей находятся в вязкотекучем (жидком) или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии.
Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители могут быть в газовой (пенопласты) и твердой фазе, иметь органическое (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганическое (графитная, асбестовая и кварцевая мука; углеродное и стекловолокно; стеклоткань) происхождение. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми, длиной 2 … 4 мм, наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяют теплопроводящие наполнители, например графит.
Пластификаторы увеличивают текучесть, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. Отвердители ускоряют процесс затвердевания пластмасс, красители придают пластмассам нужный цвет.
По поведению при нагреве полимеров пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты (полиэтилен, фторопласт, полистирол, полиамиды и др.) имеют свойства обратимости: при повторных нагреваниях они переходят в пластическое или вязкотекучее состояние и им можно придать необходимую форму, а затем они вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты легко формуются и надежно свариваются в изделия сложных форм, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Свойства термопластов сильно зависят от температуры.
Термореактивные пластмассы не переходят в пластическое состояние при повторном нагревании. Они имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, сопротивлению усталостной прочности. Их свойства не так резко зависят от температуры. В зависимости от наполнителя различают монолитные (карболит), слоистые (текстолит, гетинакс) и композиционные пластмассы, где наполнителем используются волокна. В термореактивных пластмассах связующими являются эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.
Пластмассы являются хорошими электроизоляционными материалами. Для них характерна высокая химическая и коррозионная стойкость, малая плотность и теплостойкость. Они отличаются достаточной прочностью и упругостью. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют блестящую гладкую поверхность разных цветов. Пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным нагрузкам; они подвержены тепловому, световому и атмосферному старению – процессу самопроизвольного необратимого изменения свойств; многие из пластмасс гигроскопичны.
Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Изготовление металлических деталей осуществляется за десятки операций механической обработки, а пластмассовых – часто за одну технологическую операцию по формообразованию (прессование, выдавливание, литье под давлением и др.). Поэтому трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5 … 6 раз и более, а себестоимость продукции снижается в 2 … 3 раза, при этом получают очень высокий коэффициент использования материала, равный 0,9 … 0,95. Это приводит к значительному снижению материалоемкости и из-за малой плотности пластмасс (1,2 … 1,9 Мг/м 3), к уменьшению массы конструкции в 4 ... 5 раз.
Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия.
Виды термической и химико-термической обработки стали
Термической обработкой называется процесс изменения в заданном направлении структуры и свойств деталей из металлов и сплавов путем теплового воздействия. Тепловое воздействие может сочетаться с деформационным и химическим.
При термической обработке (рис. 2) проводят нагрев детали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с определенной скоростью. Наиболее широко применяются следующие виды термической и химико-термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение и насыщение поверхностного слоя детали различными элементами.
При изготовлении деталей с использованием литья, сварки и горячей обработки давлением из-за разной скорости охлаждения элементов детали возникают значительные остаточные напряжения. Они могут вызвать искажение формы и размеров детали при последующей механической обработке, эксплуатации или хранении на складе.
Отжиг заключается в нагреве выше критических температур, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении, обычно вместе с печью. Цели отжига – снизить твердость материала для повышения обрабатываемости, измельчить зерно, снять внутренние напряжения. При нагреве детали предел текучести σ 0,2 снижается и когда он становится меньше остаточных напряжений, происходит быстрая их разрядка путем пластического течения металла.
Нормализацию (упорядочение) применяют к металлам и сплавам для измельчения зерна, смягчения и улучшения обрабатываемости резанием, выравнивания механических свойств, снятия внутренних напряжений. Основные параметры: температуру нагрева, время выдержки и скорость охлаждения – выбирают так, чтобы обеспечить необходимое фазовое превращение в металле. Для сталей это нагрев до температуры фазовых превращений и охлаждение на воздухе. Твердость и прочность стали после нормализации будут выше, чем после отжига.
Закалку проводят с целью повышения прочности и твердости деталей, ее можно применять для сталей, содержащих не менее 0,3% углерода. Закалка состоит из нагрева до температур фазовых превращений, выдержки и быстрого охлаждения в воде или масле. В процессе нагрева и охлаждения внутренние напряжения изменяются. Так, при нагреве поверхностные слои детали испытывают напряжения сжатия, так как стремятся расшириться, а этому препятствуют более холодные слои сердцевины. При охлаждении поверхностные слои, имеющие более низкую температуру, чем сердцевина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевина – напряжения сжатия. Закаленная сталь всегда находится в структурно-напряженном состоянии.
Для снятия остаточных внутренних напряжений после закалки, повышения пластичности при сохранении достаточно высоких прочностных характеристик проводят отпуск . В зависимости от температуры нагрева, определяемой требуемыми свойствами детали, различают высокий (500 … 650 °С), средний (350 … 450 °С) и низкий (150 … 200 °С) отпуск.
Старение проводят для стабилизации размеров и свойств деталей после сварки, литья или термообработки. Оно заключается в длительном выдерживании при комнатной или небольшой повышенной температуре. Старению подвергают детали типа корпусов, рам.
Для повышения поверхностной твердости (износостойкости) деталей из низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,2%, при сохранении хорошей сопротивляемости ударам и вибрационным нагрузкам, проводят цементацию и последующую закалку с низким отпуском . Цементация заключается в насыщении поверхностного слоя детали углеродом в газовой, твердой или жидкой среде. Толщина цементированного слоя возможна до 1,5 миллиметров за счет диффузии при соответственном подборе режима обработки.
Чтобы увеличить износостойкость и коррозионную стойкость детали, проводят насыщение ее поверхности при повышенных температурах азотом (азотирование), бором (борирование), углеродом и азотом (цианирование), хромом (хромирование), цинком (цинкование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование) и другими элементами в твердых, жидких и газообразных средах.
ЛИТЕРАТУРА
1 Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: – Высш. шк., 2001. – 480 с. 2001
2 Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с. 2004
3 Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1999. – 415 с.
