Основные понятия о технологических процессах в машиностроительных производствах
Целью современного машиностроительного производства является реализация процесса превращения сырья, материалов, полуфабрикатов и других предметов труда в готовую машину, удовлетворяющую потребностям общества (рис.1.1).
Рис.1.1. Схема процесса производства
Машина является технической системой, которая создается для выполнения определенных функций, т.е. имеет определенное служебное назначение.
Служебное назначение машины – это совокупность ее потребительских свойств и технических требований.
Технические требования – это система качественных показателей машины с установленными на них количественными значениями.
По назначению и характеру рабочего процесса машины делятся на энергетические, технологические, транспортные.
Энергетические машины предназначены для преобразования того или иного вида энергии в механическую работу.
Технологические машины - это машины, использующие механическую работу, получаемую от энергетических машин для изменения свойств, формы и состояния обрабатываемых объектов.
Транспортные машины, предназначенные для изменения положения и направления перемещения предметов и материалов в пространстве.
Каждая машина обладает определенной структурой и состоит из ряда функциональных компонентов. Функциональными компонентами машины называют сборочные единицы (узлы) различных уровней сложности, детали и части деталей (рис. 1.2).
· Деталью машины называется изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Деталь, как правило, имеет определенную геометрическую форму и выполняет хотя бы одну функцию по обеспечению работы машины. Деталь это простейший элемент машины (например: вал, втулка, зубчатое колесо и т.п.).
Детали машин классифицируют по четырем основным признакам:
По виду поверхности (геометрической форме);
По размеру;
По точности;
По материалу, из которого они изготовлены.
Геометрическая форма детали предопределяется ее функцией и вместе с габаритными размерами, показателями точности, материалом и его свойствами предопределяет процесс ее изготовления для конкретного производства.
· Сборочной единицей называется изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, склеиванием и т.д.). В зависимости от степени сложности и других технологических параметров, в машиностроении принято делить сборочные единицы на порядки (самые сложные - это сборочные единицы первого порядка).
Рис.1.2. Структура машины
Производство машин осуществляется в результате выполнения производственного процесса, под которым понимают совокупность всех этапов, которые проходят исходные продукты на пути их превращения в готовую машину.
По отношению к изделию различные этапы производственного процесса проявляют себя по-разному (рис. 1.3).
Одни из них изменяют качественное состояние изделия:
Размеры;
Структуру и химический состав материала;
Такие процессы называются основными производственными процессами. Совокупность основных производственных процессов образует основное производство предприятий.
Производственные процессы, обеспечивающие бесперебойное протекание основных процессов называются вспомогательными. Их результатом является продукция, используемая на самом предприятии.
Другие процессы, как, например, транспортирование, контроль, хранение на складах, не оказывают никаких воздействий, хотя без них производственный процесс не смог бы быть осуществлен. Такие процессы называются обслуживающими.
Рис. 1.3. Виды производственных процессов по отношению к изделию
В каждый производственный процесс входят основные и вспомогательные технологические процессы.
· В машиностроении под технологическим процессом обычно понимают часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению качественного состояния объекта с целью получения деталей или изделий заданной формы, размеров и физико-химических свойств.
Технологические процессы, обеспечивающие превращение сырья и материалов в готовую продукцию, называются основными.
Вспомогательные технологические процессы обеспечивают изготовление продукции, используемой для обслуживания основного производства.
По применяемым методам и способам производства, организационному построению и другим признакам технологические процессы делятся на три фазы (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Фазная структура технологических процессов
Фаза - это комплекс работ, выполнение которых характеризует завершение определенной части технологического процесса и связано с переходом предмета труда из одного качественного состояния в другое.
На рисунке 1.5 в качестве примера показаны некоторые технологические процессы заготовительной фазы.
Рис. 1.5. Технологические процессы заготовительной фазы
На рисунке 1.6 показаны некоторые технологические процессы обрабатывающей фазы.
Рис. 1.6. Технологические процессы обрабатывающей фазы.
С целью организации и нормирования труда технологические процессы расчленяют на операции, которые выполняются в определенной последовательности.
Степень пооперационной расчлененности технологического процесса зависит от:
Объема работы по изготовлению данного изделия;
Количества рабочих, занятых изготовлением изделия;
Размеров производственного помещения (рабочей площади);
Характера оборудования рабочих мест и других условий производства.
· Под операцией следует понимать часть технологического процесса, выполняемую над определенным предметом труда на одном рабочем месте одним или группой рабочих.
Одна и та же работа может быть представлена различным числом операций. Если, например, необходимо обточить пруток, просверлить продольное отверстие (рис. 1.7), и все это выполняется одним рабочим на одном станке, то это будет одна операция. Если обточка, сверление и нарезка резьбы производятся на разных станках, то это будут три операции. По технологическим признакам операции расчленяются на переходы, установки, и проходы.
· Установка – это часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или сборочной единицы. Одна установка может содержать в себе один или несколько переходов.
· Технологический переход - это законченная технологически однородная часть операции, выполняемая при одном режиме работы оборудования и неизменном инструменте (рис.1.7. позиции 2 и 3).
Рис. 1.7. Операция изготовления втулки на одном станке, одним рабочим за одну установку
· Вспомогательный переход – это законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением предмета труда, но необходимы для выполнения технологического перехода (например, установка заготовки, смена инструмента и т.д.).
Каждый технологический процесс разрабатывают применительно к определенному типу производства. Тип производства - это классификационная категория, определяемая следующими принципами:
· объемом годового выпуска продукции (числом изделий, подлежащих изготовлению в установленную календарную единицу времени);
· широтой номенклатуры производства изделий;
· производственной мощностью (максимально возможному выпуску продукции установленной номенклатуры и количества при полном использовании возможностей предприятия).
Технологический процесс, прогрессивный для одного типа производства, может быть совершенно неприемлемым для другого типа производства. Различают три основных типа производства (рис. 1.8):
Рис. 1.8. Типы производства
· Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых деталей, повторное изготовление которых не предусматривается. К основным особенностям единичного производства относятся:
Широкая и разнообразная номенклатура изделий;
Отсутствие повторяемости операций на рабочих местах;
Универсальность оборудования, приспособлений и инструмента;
Высокая квалификация рабочих.
Перечисленные особенности единичного производства определяют более высокую себестоимость выпускаемых изделий.
Единичное производство существует в тяжелом машиностроении, судостроении, опытном производстве любых машин и т. п. (Например: на станкостроительном заводе изготавливается сложный специальный станок для обработки длинномерных валов по специальному заказу судостроительного предприятия).
· Серийное производство характеризуется тем, что изделия изготавливают сериями или партиями. В серийном производстве станки периодически переналаживают с одной операции на другую.
К особенностям серийного производства относятся следующие признаки:
Периодическая смена операций на рабочих местах,
Высокая специализация оборудования, приспособлений, инструментов.
С экономической точки зрения серийное производство более выгодно, чем единичное. Серийное производство - наиболее характерный вид производства для среднего машиностроения. К этому виду производства относят многие разновидности сельскохозяйственного машиностроения, станкостроение, производство насосов, компрессоров, текстильных машин и т.п.
· Массовым производством называется такое производство, при котором изделия изготовляют путем выполнения на рабочих местах одних и тех же постоянно повторяющихся операций. Массовому производству свойственны следующие признаки:
Установившийся объем и характер работы на рабочих местах;
Расположение рабочих мест в порядке выполнения операций.
Применение специальных высокопроизводительных станков, приспособлений и инструментов;
К продукции массового производства относятся автомобили, сельскохозяйственные машины, велосипеды, бытовая техника машины и др.
Современное машиностроительное предприятие является сложной системой, состоящей из организационных и производственных единиц - управленческих, маркетинговых, технологических, производственных, обслуживающих. Различают следующие производственные единицы предприятия.
· Цех – это основное производственное подразделение
предприятия, выполняющее возложенную на него определенную
часть производственного процесса.
· Участок - это самостоятельное структурное подразделение цеха, где выполняются конкретные работы из тех, что закреплены за цехом. Участок является первичным производственным подразделением предприятия. Первичным звеном каждого производственного участка является рабочее место.
· Рабочее место – это часть производственной площади участка (цеха), закрепленная за одним или бригадой рабочих и оснащенная оборудованием, инструментом и вспомогательными устройствами, соответствующими характеру выполняемых работ.
В основу организации цехов и участков положены принципы концентрации и специализации. Специализация цехов и производственных участков может быть осуществлена по видам работ (технологическая специализация) или по видам изготовленной продукции (предметная специализация).
Пример технологической специализации: литейный, термический или гальванический цехи, токарный и шлифовальный участок в механическом цехе.
Пример предметной специализации: цех корпусных деталей, участок валов, цех по изготовлению редукторов и др.
Контрольные вопросы к лекции 1:
1. Дайте определение понятию «деталь». Самостоятельно определите детали в конкретной модели машины.
2. Дайте определение понятию «сборочная единица». Самостоятельно определите сборочные единицы в конкретной модели машины.
3. Определите цели и задачи основных производственных процессов. Что включают в себя основные производственные процессы.
4. Дайте определение понятию «технологический процесс».
5. Дайте определение понятию «операция технологического процесса».
6. Опишите структуру машиностроительного предприятия.
7. Дайте характеристику основных цехов предприятия.
8. Охарактеризуйте особенности серийного производства. Приведите самостоятельные примеры.
9. Охарактеризуйте особенности массового производства. Приведите самостоятельные примеры.
Лекция 2. Основные понятия о проектировании технологических процессов
Процесс создания любой новой машины включает в себя ряд последовательных этапов (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Этапы создания машины
Этап 1 . Поисковое проектирование.
На этом этапе производится анализ потребности рынка в данном изделии, исследуются конкурирующие аналоги, оцениваются временные и финансовые затраты для начала производства изделия, планируется серийность (годовой объем выпуска) изделия и устанавливаются его основные технические характеристики, оценивается возможная прибыль предприятия.
Этап 2 . Конструирование.
На данном этапе осуществляется детальная разработка конструкции изделия. Структура, состав и геометрические параметры изделия должны соответствовать техническому заданию и обеспечивать требуемые эксплуатационные характеристики изделия.
Важно спроектировать изделие так, чтобы его можно было изготовить наиболее простым образом и с минимальными затратами. Если это требование выполнено, то говорят о технологичности изготовления изделия.
Результаты конструирования оформляются в виде комплекта конструкторской документации. Он включает в себя деталировочные и сборочные чертежи, спецификации и другие документы. В настоящее время в конструкторскую документацию могут включаться компьютерные модели деталей и сборочных единиц изделия.
Этап 3. Проектирование технологических процессов.
Данный этап состоит в обеспечении технологической готовности предприятия к выпуску данного изделия, при соблюдении требований к качеству, срокам и объемам выпуска, а также с учетом запланированных затрат.
Рис. 2.2. Элементы содержания работ по проектированию технологических процессов
· Выбора вида заготовок (процессов их получения). Например, для детали «втулка» в качестве заготовки выбираем пруток из стали определенной марки диаметром 20 мм. Такой пруток является стандартной продукцией металлургического производства и широко представлен на рынке черных металлов (рис. 2.3).
Рис 2.3. Выбор заготовки
· Разработки межцеховых маршрутов (определение пути, который пройдет заготовка, прежде чем превратится в деталь и станет частью сборочной единицы или изделия). Например: склад материалов → заготовительный участок механического цеха → токарный участок механического цеха → сборочный цех → склад готовой продукции.
· Определения последовательности и содержания технологических операций. Например:
Операция 1 слесарная: разрезка прутка на мерные заготовки;
Операция 2 транспортировка на токарный участок;
Операция 3 токарная, состоящая из нескольких установок и переходов;
Операция 4 транспортировка на сборочный участок;
· Определения, выбора и заказа средств технологического оснащения. Например, для токарной операции потребуется: станок токарно-винторезный 16К20 → патрон трехкулачковый → задний центр → резцы проходной, подрезной, отрезной и.т.д. → сверло Ø 6,9 мм → метчик М 8 и т.п.
· Установления порядка, методов и средств технического контроля качества. Например: ручной контроль с использованием штангенциркуля
· Назначения и расчета режимов резания. Например: с учетом обрабатываемого и инструментального материалов и припусков на обработку устанавливают скорость резания (частоту вращения шпинделя станка), величины подач инструмента, глубину резания и т.п. Например, V = 150 м/мин, S = 0,07 мм/об, t = 0, 2 мм.
· Технического нормирования операций производственного процесса. Производят расчет времени, затраченного на данную операцию.
· Определения профессий и квалификации исполнителей. Например: токарь 1 разряда.
· Организации производственных участков (поточных линий). Предлагается рациональная расстановка оборудования в помещении цеха, с целью сокращения времени на транспортировку.
· Формирования рабочей документации на технологические процессы в соответствии с ЕСТД (Единая система технологической документации).
Технологическая документация - основной источник информации для организации, управления и регулирования производственного процесса на каждом предприятии. Она сопровождает изделие в течение всего жизненного цикла и заканчивает свое существование при списании изделия.
В машиностроении технологическая документация решает две основные задачи (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Задачи технологической документации
Решая информационную задачу, технологическая документация:
· обеспечивает изготовление деталей и сборочных единиц;
· служит средством организации труда рабочих;
· несет информацию для служб управления производством для определения себестоимости изделия и его сборочных единиц, производительности труда, производственной мощности и загрузки оборудования участков, цехов и предприятий в целом;
· является носителем информации о нормах расхода материалов;
· обеспечивает планирование и подготовку производства и т.д.
При решении организационной задачи технологическая документация:
· связывает определенным образом участников производства;
· устанавливает определенные отношения между различными участками производства;
· выполняет функцию организационной документации.
Рис. 2.5. Фрагменты технологической документации: маршрутной карты (а ), операционной карты (б )
Стадии разработки и виды документов, применяемых для технологических процессов изготовления (сборки) изделий машиностроения устанавливаются ГОСТом. Состав применяемых видов документов определяется разработчиком документов в зависимости от стадий разработки, типа и характера производства. Из всего перечня документов, регламентируемого стандартом, применяют:
- маршрутные карты (МК),
- операционные карты (ОК),
- карты технологического процесса (КТП),
· Маршрутная карта (рис. 2.5, а ) – это документ, указывающий последовательность прохождения заготовок, деталей или сборочных единиц по цехам и производственным участкам предприятия.
· Операционная карта (рис. 2.5, б ) – это документ, указывающий последовательность прохождения заготовки, детали или сборочной единицы по переходам в рамках одной операции на рабочем месте в цехе участкам предприятия.
Этап 4. Создание опытного образца. Этот этап имеет своей целью проверку качества принятых конструкторских и технологических решений путем испытаний опытного образца изделия.
По результатам испытаний могут быть внесены изменения как в конструкторскую документацию (то есть в конструкцию изделия), так и в разработанные технологические процессы.
Этап 5 . Освоение производства. На данном этапе предприятие должно выйти на намеченные объемы выпуска изделия, стабилизировать качество продукции и добиться заданной трудоемкости на всех стадиях производства. Здесь может понадобиться освоение дополнительных производственных мощностей, совершенствование технологических процессов, повышение численности и квалификации персонала.
Этапы создания нового изделия являются элементами Жизненного Цикла Изделия (ЖЦИ), который охватывает все стадии жизни изделия - от изучения рынка перед проектированием до утилизации изделия после использования.
Контрольные вопросы к лекции 2:
1. Перечислите этапы создания машины.
2. Что представляет собой этап поискового проектирования. Цель этапа.
3. Что представляет собой этап конструирования. Цель этапа.
4. Перечислите содержание основных работ по проектированию технологических процессов.
5. Роль и задачи технологической документации в процессе технологической подготовки производства.
6. Что отражают в маршрутной карте.
7. Что отражают в операционной карте.
8. Что представляет собой этап создания опытного образца. Цель этапа.
9. Что представляет собой этап освоения производства. Цель этапа.
10. Как вы понимаете термин «жизненный цикл изделия»
Лекция 3. Современные конструкционные материалы в машиностроительном производстве
Любая машина и составляющие ее детали изготавливаются из конструкционных материалов, которые обеспечивают выполнение ею служебного назначения. В современном машиностроении к конструкционным материалам предъявляют следующие основные требования:
Эксплуатационные,
Технологические,
Экономические,
Экологические и др.
На примере редуктора машины показано многообразие материалов, из которых выполнены его детали (рис. 3.1). Корпус редуктора (1 ) изготовлен из серого чугуна; зубчатое колесо (2 ) из ковкого чугуна; вал (3 ) из легированной стали; подшипник (4 ) из подшипниковой стали (композита, сплава цветного металла); крышка подшипника (5 ) из полимерного материала; уплотнительные кольца (6 ) из материала на основе резины.
Рис. 3.1. Редуктор машины и его детали, выполненные из различных конструкционных материалов: 1 - корпус редуктора, 2 - зубчатое колесо, 3 - вал, 4 - подшипник, 5 - крышка подшипника, 6 - уплотнительные кольца
По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Принципиальная классификация конструкционных материалов
· Металлические материалы наиболее распространены в машиностроении, к этой группе материалов относятся все металлы и их сплавы.
Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:
1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.
2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.
3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина
4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.
Под чистыми металлами понимают твёрдые вещества, состоящие только из одного компонента. Чистые металлы редко используют в машиностроении. Наиболее распространено использование металлических конструкционных материалов в виде сплавов.
Под сплавами понимают твёрдые вещества, образованные сплавлением двух или более металлических компонентов. Сплавы на основе железа называются черными, а на основе других металлов – цветными.
Легкими цветными сплавами называют сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность. Тяжелыми цветными сплавами называют сплавы на основе меди, олова.
Легкоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута. Тугоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др.
· Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Среди них также можно выделить несколько групп (рис. 3.3):
Рис. 3.3. Группы неметаллических материалов
1. Пластмассы – это материалы на основе высокомолекулярных соединений (полимеров), как правило, с наполнителями. Наполнителями пластмасс называют порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные материалы, которые определяют свойства пластмасс. Различают пластмассы с твердым наполнителем (полиэтилены, полистиролы, поликарбонаты и т.п.), а также с газофазовым наполнителем (пенопласты, поропласты и т.п.)
2. Керамика – это материал на основе порошков тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 и др.
3. Стекло – это материал на основе оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO 2 .
4. Резина – это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавлением серы и других элементов.
5. Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений.
· Композиционные материалы получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Различают элементы композиционного материала:
Основной конструкционный компонент, который называется матрицей.
Усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала, который называется армирующий элементом.
На рисунке 3.4. показаны виды и структуры армирующего элемента в матрице композиционного материала.
Рис. 3.4. Виды и структуры армирующего элемента в матрице: непрерывные волокна (а ), дисперсные частицы (б ), прерывистые волокна (в ); тканевая структура (г ), пространственная структура (д, е )
Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его механических, физических, химических и технологических и эксплуатационных свойств.
К основным механическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
· Прочность - способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
· Пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения под действием нагрузки.
· Вязкость - способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил.
· Упругость - способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.
· Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела.
· Хрупкость - способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.
Физические свойства - это свойства материала, зависящие от внутреннего строения вещества, его атомно-электронной структуры. К физическим свойствам относятся следующие свойства (рис.3.5).
Химические свойства зависят от химического состава вещества и его атомно-электронного строения. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений и химических превращений.
Рис. 3.5. Основные физические свойства конструкционных материалов
Технологические свойства - это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки и дающие возможность получать заготовки, а из заготовок - детали машин. К технологическим свойствам относят следующие свойства:
· Ковкость – это способность металла подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь.
· Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств.
· Обрабатываемость резанием – это способность металлов и сплавов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента.
· Склонность к термической обработке – способность металлов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств.
· Литейные свойства – определяются способностью материала обладать в расплавленном состоянии технологической жидкотекучестью, обладать минимальной объемной и линейной усадкой при затвердевании.
Эксплуатационные свойства . К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся:
· Жаростойкость и жаропрочность - эти свойства характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре,
· Износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.
· Коррозионная стойкость – это свойство характеризует способность металлов сопротивляться коррозии в различных средах.
Контрольные вопросы к лекции 3:
1. Классифицируйте металлические конструкционные материалы.
2. Классифицируйте неметаллические конструкционные материалы.
3. Классифицируйте композиционные конструкционные материалы.
4. Перечислите механические свойства материалов.
5. Перечислите технологические свойства материалов.
6. В чем заключается способность материалов к обработке резанием.
7. В чем заключаются литейные свойства материалов.
8. Охарактеризуйте эксплуатационные свойства материалов
Лекция 4. Основные понятия о металлургических процессах. Производства чугуна.
По масштабам металлургического производства России занимает одно из ведущих мест в мире. Отечественный металлургический комплекс объединяет все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции в виде черных и цветных металлов и их сплавов (рис.4.1).
Рис. 4.1. Структура металлургической отрасли
Для производства металлургической продукции используют следующие исходные материалы (рис.4.2).
Рис.4.2. Исходные материалы металлургического производства
· Руда – это горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения. Руду называют по одному или нескольким металлам, входящим в ее состав, например: железная руда, медно-никелевая руда и т.п. В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные.
Важнейшим этапом в технологической цепи металлургического производства является процесс подготовки руд к плавке.
Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности оборудования, снижения расхода топлива и улучшения качества продукции. Различают следующие процессы подготовки руды:
1. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.
2. Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав. Обогащение включает следующие процессы:
Промывка – это процесс отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы.
Гравитация – это процесс отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы остаются.
Магнитная сепарация – это процесс, когда измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.
3. Окусковывание производят для переработки руды в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: - агломерация,
Окатывание.
· Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Для флюсов в металлургии используют следующие материалы, которые подвергают окускованию и вводят в виде агломерата и окатышей (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Материалы для флюсов
· Топливо – это природные или неприродные горючие вещества, выделяющие при сгорании высокую температуру. В металлургии используются следующие виды топлива:
Природный газ,
Доменный газ.
Кокс получают из каменного угля коксующихся сортов. Он служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.
· Огнеупоры – это материалы для изготовления внутреннего облицовочного слоя металлургических печей и другого оборудования. Они способны выдержать тепловые нагрузки, противостоять химическому воздействию шлака и печных газов.
Всю продукцию металлургического производства по принципиальной квалификации принято делить на продукцию черной и цветной металлургии.
Черная металлургия представляет собой комплекс предприятий для производства чугуна, стали и проката. Основная продукция чёрной металлургии показана на рисунке 4.4.
Рис. 4.4. Основная продукция чёрной металлургии
· Чугун передельный используется для передела на сталь.
· Чугун литейный используется для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах.
· Ферросплавы – это сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана используются для производства легированных сталей.
· Стальные слитки используются для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, полос, проволоки, листа, труб и т, д) на прокатных производствах
Цветная металлургия представляет собой комплекс предприятий для добычи, обогащения, производства цветных металлов и сплавов.
Рис. 4.5. Основная продукция цветной металлургии
Цветная металлургия акцентирует свое внимание на следующих видах промышленности: медной, никелевой и алюминиевой. Основная продукция цветной металлургии показана на рисунке 4.5.
· Лигатурами называются сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов.
Рассмотрим более подробно технологические процессы производства основного продукта черной металлургии – чугуна.
Чугуном называют сплав железа с углеродом, где углерод содержится в количестве от 2 до 6,7%. Кроме железа и углерода, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора, серы и других элементов. Эти примеси переходят в чугун из исходных материалов.
Основным производством для получения чугунов является доменное производство. Оборудованием для выплавки чугуна служат доменные печи (рис. 4.6). Доменная печь представляет собой высокую шахту круглого сечения, опирающуюся на железобетонный фундамент обычно многогранной формы. Нижняя часть фундамента находится на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона.
Рис. 4.6. Доменное производство для выплавки чугуна: вид снаружи (а ), вид внутри (б ).
Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды различными восстановителями.
Восстановление твердым углеродом С называется прямым восстановлением и происходит в нижней части печи при высоких температурах по реакции:
Восстановление газами СО и Н 2 называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:
Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь при помощи загрузочных устройств загружают исходные материалы (руда, флюсы, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо (рис. 4.7).
Внутри печи образуется шихта - смесь исходных материалов и топлива. Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Для отвода газа в куполе печи предусмотрены четыре боковых восходящих газоотвода.
Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.
Шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются вниз печи, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.
Рис. 4.7. Доменная печь и ее процессы
Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Это дает возможность разделить чугун от шлака. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши, и шлаковозные чаши.
Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.
Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная охлаждаемая футеровка.
Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи. Полезная высота доменной печи (Н ) достигает 35 м, а полезный объем – 2000-5000 м 3 .
Эффективность работы печи оценивается следующими показателями:
· Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО):
КИПО = V / P
где V - полезный объем печи (м 3), а Р - количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства современных доменных печей КИПО = 0,45.
· Удельный расход кокса:
К = А / Р
где А - расход кокса за сутки (тонны), а Р - количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Удельный расход кокса в современных доменных печах составляет 0,35-0,4. Это важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна. Улучшение технико-экономических показателей работы доменных печей является важнейшей задачей доменного производства.
Контрольные вопросы к лекции 4:
1. Перечислите предприятия металлургического комплекса. Как эти предприятия взаимосвязаны между собой
2. Перечислите основную продукцию выпускаемую предприятиями черной металлургии
3. Перечислите основную продукцию выпускаемую предприятиями цветной металлургии
4. Перечислите исходные материалы для металлургического производства
5. Что такое флюсы. Классификация и назначение флюсов.
6. Перечислите основные способы подготовки руды перед плавкой
7. Что является основной и побочной продукцией доменного производства.
8. Что является сырьем для доменного производства.
9. Какие химические реакции происходят при доменной плавке чугуна. В какой последовательности.
10. Какими показателями оценивается эффективность работы доменной печи.
Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его механических, физических, химических и технологических и эксплуатационных свойств. Механические свойства определяются способностью материала противостоять различным внешним физическим воздействиям. К основным механическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок;
– пластичность – это способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения под действием нагрузки;
– вязкость – это способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил;
– упругость – это способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию;
– твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела;
– хрупкость – это способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.
К физическим свойствам относят характеристики физического состояния материалов и отношение материала к различным физическим процессам. К основным физическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– плотность – физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма;
– теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела;
– электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток;
– температура плавления вещества – это температура фазового перехода «твердая фаза → расплав». Ее определяют, как при плавлении вещества, так и при кристаллизации расплава.
Химические свойства зависят от состава материала и его атомно-электронного строения. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений и превращений. К основным химическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– химическая стойкость – способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей;
– биологическая стойкость – свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий;
– растворимость – способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других растворителях;
Технологические свойства – это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки, и дающие возможность получать заготовки, а из заготовок – детали машин. К технологическим свойствам относят следующие свойства:
– ковкость – это способность материала подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь;
– свариваемость – это способность материалов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств;
– обрабатываемость резанием – это способность материалов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента;
– склонность к термической обработке – способность материалов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств;
– литейные свойства – определяются способностью материала обладать в расплавленном состоянии жидкотекучестью, обладать минимальной объемной и линейной усадкой при затвердевании.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. К эксплуатационным свойствам относятся:
– жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;
– жаропрочность – эти свойства характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре;
– износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении;
– коррозионная стойкость – это свойство характеризует способность материалов сопротивляться коррозии в различных средах;
– холодостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;
– антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.
Выбор материалов деталей - важный этап, от которого в значительной степени зависят вес, габариты, стоимость и долговечность машин. Для снижения стоимости машин большое значение имеет замена дорогостоящих и дефицитных материалов, однако применение более дешевых материалов может привести к увеличению веса, габаритов и снижению долговечности машин.
Таким образом, вопрос о выборе материала представляет собой сложную технико-экономическую задачу, в решении которой необходимо учитывать экономические, технологические и эксплуатационные соображения. Наряду с другими обстоятельствами при выборе материалов для деталей машин следует учитывать такие производственные вопросы, как снабжение, хранение и учет материалов на предприятии, и по возможности сокращать номенклатуру наименований и марок применяемых материалов.
По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Принципиальная классификация конструкционных материалов
Металлы (от латинского metallum – шахта, рудник) – группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность. Металлические материалы наиболее распространены в машиностроении, к этой группе материалов относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:
– Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.
– Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.
Под чистыми металлами понимают твёрдые вещества, состоящие только из одного компонента. Чистые металлы редко используют в машиностроении. Наиболее распространено использование металлических конструкционных материалов в виде сплавов. Под сплавами понимают твёрдые вещества, образованные сплавлением двух или более металлических компонентов. Сплавы на основе железа принято называются черными, а на основе цветных металлов – цветными. Среди цветных сплавов различают легкие и тяжелые сплавы. Легкими цветными сплавами называют сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность. Тяжелыми цветными сплавами называют сплавы на основе меди, олова. Такие сплавы имеют большую плотность. По температуре плавления цветные сплавы бывают легко – и тугоплавкие. Легкоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута. Тугоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др.
Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Среди них также можно выделить несколько групп:
Пластмассы – это материалы на основе высокомолекулярных соединений (полимеров), как правило, с наполнителями. Наполнителями пластмасс называют порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные материалы, которые определяют свойства пластмасс. Различают пластмассы с твердым наполнителем (полиэтилены, полистиролы, поликарбонаты и т.п.), а также с газофазовым наполнителем (пенопласты, поропласты и т.п.).
Керамика – это материал на основе порошков тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 . Керамика превосходит другие материалы по твердости и износостойкости. К преимуществам керамики относятся низкий коэффициент трения и стойкость к воздействию агрессивных сред и высокой температуры.
Стекло – это материал на 75% состоящий из двуокиси кремния, которую можно получить из кварцевого песка при помощи очистки его от всевозможных загрязнений. В стекле также присутствует окись кальция, благодаря которой материал приобретает стойкость, а также привычный блеск, оксид калия или натрия, которые необходимы для плавки самого стекла.
Резина – это материалы на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Различают естественный (сок бразильской гевеи) и синтетический (изопреновый, бутадиеновый) каучуки.
Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений.
Композиты получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Основной конструкционный компонент композита называется матрицей. Усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала называются армирующий элементом. Характеристика композитов по материалу матрицы и армирующих элементов указывает на природу композитов. Название композитов состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал армирующего элемента, второй материал матрицы (например, углепластик – материал на основе полимера, армированный волокнами твердого углерода). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми свойствами.
Для оптимального выбора материалов в машиностроении используют более подробные классификации . Так, например классификация сталей и сплавов производится: по химическому составу; по структурному составу; по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей); по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице; по назначению. Например, по химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на группы: малоуглеродистые – менее 0,3% С; среднеуглеродистые – 0,3...0,7% С; высокоуглеродистые – более 0,7 %С. По качеству, то есть по способу производства и содержанию примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы (таблица 2.1).
Таблица 2.1. Классификация сталей по качеству
| Группа | Сера S, %, ≤ | Фосфор Р, %, ≤ |
| Обыкновенного качества (рядовые) | 0,06 | 0,07 |
| Качественные | 0,04 | 0,035 |
| Высококачественные | 0,025 | 0,025 |
| Особовысококачественные | 0,015 | 0,025 |
По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. В свою очередь конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
Контрольные вопросы к лекции 2:
1. Перечислите механические свойства материалов.
2. Перечислите технологические свойства материалов.
3. В чем заключается способность материалов к обработке резанием.
4. В чем заключаются литейные свойства материалов.
5. Охарактеризуйте эксплуатационные свойства материалов.
6. Опишите особенности металлических конструкционные материалы и принципиально классифицируйте такие материалы.
7. Классифицируйте неметаллические конструкционные материалы.
8. Чем руководствуются при выборе материалов в машиностроении и на что влияет этот выбор.
При выборе материалов в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и разграничить факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие - по возможности.
Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физикохимическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно, если в конструкции должны работать разные материалы.
Более правильным является формирование технических требований к материалу на основании моделирования условий работы изделия в реальных условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно определить уровень локальных пиковых напряжений изделия. В том случае, когда не имеется возможности использовать стенд для измерения рабочего напряжения, возникающего в изделии при его эксплуатации, следует использовать расчетные методы.
Физико-химические свойства. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Применение в соединениях деталей из различных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.
Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т.д. могут вызвать повреждение в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.
Механические свойства. Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.
Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [о], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности , т.е. к коэффициенту запаса прочности п. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких - временное сопротивление:
[ = а Т /п Т или [а] = а в /я в. (2.1)
Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в материале дефектов, допускаемых техническими условиями; степени схематизации расчетной процедуры и т.д.
В России за допускаемое принимается минимальное напряжение, определяемое по пределу текучести или временному сопротивлению. Такая же методика принята во многих странах. Однако в некоторых странах, например в Чехии, Словакии, Германии, Польше, для определения допускаемых напряжений расчет ведется только по пределу текучести, а в Японии - только по временному сопротивлению.
Коэффициент запаса может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опыта работы с данным материалом.
Для сосудов и аппаратов, работающих под давлением, коэффициент запаса по пределу текучести находится в пределах от 1,5 до 1,65, а по временному сопротивлению - от 2,35 до 4.
Однако расчеты на прочность конструкций по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов запаса не всегда гарантируют необходимый ресурс их работы. Это связано с тем, что назначаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, которые способствуют возникновению повреждений и разрушений несущих элементов конструкций и машин. К этим факторам относятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исходных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т.д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряжений; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статических и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок. Для учета этих факторов необходим переход от расчета по номинальным напряжениям к анализу локальных напряжений, возникающих в отдельных зонах изделия.
Для высокопрочных и среднепрочных материалов расчет допустимых значений следует проводить на основе принципов механики разрушения с учетом максимальных размеров дефектов. Это связано с тем, что повышение прочности обычно сопровождается уменьшением пластичности и вязкости материала.
Пластичность характеризует способность материала к пластическому течению при превышении предела текучести, а вязкость - способность поглощать энергию внешних сил при разрушении.
У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может очень сильно различаться. Например, алюминий имеет малую вязкость при высоком относительном удлинении. Наоборот, термообработанная (улучшенная), легированная сталь при сравнительно небольшом относительном удлинении может иметь высокую вязкость.
Пластичность и вязкость в конструкционные расчеты не входят и являются качественными показателями.
Пластичность показывает способность металла к перераспределению напряжений в зонах концентрации (пиков). Пластическая деформация как бы предохраняет металл от резких локальных перегрузок вблизи концентраторов напряжений.
Широко принятым критерием работоспособности металлических сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом. При этом сложность представляет выбор необходимого уровня вязкости и вида образцов для ее оценки. В разных странах принят различный гарантированный уровень ударной вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, определенная на образцах типа Шарли размером 10 х 10 х 55 мм с надрезом радиусом 0,25 мм, составляет КСУ> 0,30 МДж/м 2 .
Надежность конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению. Поэтому для таких изделий проводятся имитирующие циклические испытания стандартных образцов либо циклические стендовые испытания. База испытаний выбирается в зависимости от условий эксплуатации оборудования.
Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или охлаждению, испытывается на сопротивление термической усталости.
В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.
При циклическом или длительном статическом нагружении номинальные эксплуатационные напряжения выбираются с введением коэффициентов запаса п а и п п по пределам длительной прочности и ползучести.
Коэффициенты Яд и л п обычно имеют значения в пределах 2,0-3,5.
Технологические свойства (литейные свойства у литейных сплавов; обрабатываемость давлением у деформируемых сплавов, обрабатываемость резанием, свариваемость) весьма важны и могут быть решающими при выборе материала для изготовления высококачественных изделий в производственных условиях. Например, нельзя изготовить литьем тонкостенные протяженные детали из сплава с низкой жидкотекучестью и плохой заполняемостью. Нельзя также изготавливать сварные конструкции из сталей с высоким содержанием углерода (высоким углеродным эквивалентом), так как в зоне сварного шва всегда будут образовываться сварные трещины.
При рассмотрении обрабатываемости материалов следует исходить из условий серийности изготавливаемого изделия и необходимости применения смягчающей термообработки. Так, при изготовлении изделий крупносерийного или массового производства следует ориентироваться на их механическую обработку с использованием станков с ЧПУ и обрабатывающих центров. В этом случае твердость обрабатываемых деталей должна быть невысокой (до 250 НВ). Для обеспечения низкой твердости для этих деталей может применяться предварительная термообработка: отжиг, нормализация, высокий отпуск.
Оценка свариваемости конструкционных материалов должна включать анализ уровня механических свойств сварного соединения и основного металла, определение склонности к образованию дефектов, прежде всего трещин в металле шва и зоне термического влияния, определение чувствительности сварного соединения к концентраторам напряжений и склонности к хрупкому разрушению. Для получения бездефектных равнопрочных сварных соединений, обладающих высоким сопротивлением хрупкому разрушению, необходима разработка специальной системы легирования сварного шва.
Приняты следующие термины, характеризующие свариваемость металлов: хорошая, удовлетворительная, ограниченная, неудовлетворительная. Хорошая свариваемость характерна для металлических материалов, не имеющих ограничений в проведении процесса сварки при температуре окружающей среды по массе и сложности конструкций. Такие материалы не требуют предварительного подогрева. При удовлетворительной свариваемости на морозе сварка не допускается и должна производиться при комнатной температуре. В сварных элементах должны отсутствовать жесткие стыки; для сложных узлов необходим предварительный сопутствующий подогрев; после сварки при большом объеме наплавленного металла необходим отпуск; при вваривании вкладышей рекомендуется проводить промежуточную термическую обработку. Ограниченная свариваемость подразумевает возможность сварки небольших деталей простой формы с подогревом до 300-400 °С и проведении отпуска после сварки; в случае жестких контуров температура подогрева должна быть увеличена до 600 °С. Неудовлетворительная свариваемость характерна для материалов, нуждающихся в отжиге перед сваркой; даже при сварке простых узлов их необходимо подогревать до температур более 450 °С с обязательным проведением высокого отпуска после сварки.
Выбранные материалы и технологии изготовления из них изделий обязательно должны быть привязаны к возможностям конкретного производства. Например, не следует ориентироваться на лазерную термообработку изделий массового производства, так как это окажется технически невыполнимым, а следует выбрать один из видов химико-термической обработки, который используется на предприятии - изготовителе изделий.
Важный этап выбора материала - оценка его стоимости и дефицитности. Выбранный материал должен быть по возможности дешевым, с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость изготовления из него деталей, а также эксплуатационную стойкость. Необходимо учитывать также наличие дефицитных составляющих материала. Например, в последние годы такие элементы в стали, как вольфрам, кобальт, никель являются дефицитными и их использование в качестве легирующих добавок в сталях должно быть ограничено. Однако в тех случаях, когда без них нельзя обеспечить необходимые служебные свойства, их применение оправдано (быстрорежущие стали, жаропрочные стали и сплавы).
Таким образом, основой при выборе материалов являются назначение и условия работы изделия или конструкции. При ЭТОМ КОНструктор опирается на опыт изготовления и эксплуатации изделий и конструкций данного профиля, уровень технологии производства и контроля, а также учитывает экономические соображения. При выборе материалов большую роль могут сыграть результаты стендовых и натурных испытаний изделий.
Использование при выборе материалов, ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях, вполне оправдано, но может привести, с одной стороны, к отказу от совершенствования конструкций и изделий, а с другой - к повторению уже сделанных ошибок.
материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой Конструкционные материалы стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали ), меди (бронзы и латуни ), свинца и олова.При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к Конструкционные материалы , стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к Конструкционные материалы (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением Конструкционные материалы , обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.
Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы , сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Отдельные классы Конструкционные материалы , в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Например, металлические сплавы различают: по системам сплавов - алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения - закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу - стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.
Неметаллические Конструкционные материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Некоторые Конструкционные материалы , например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон , применяются в конструкциях машиностроения.
Технико-экономические параметры Конструкционные материалы включают: технологические параметры - обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).
К металлическим Конструкционные материалы относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали , для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём Конструкционные материалы , используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности - от 200 до 3000 Мн/м 2 (20-300 кгс/мм 2 ), пластичность сталей достигает 80%, вязкость - 3 МДж/м 2 . Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше. Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.
Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м 2 (чугаль) до 1350 Мн/м 2 (легированный магниевый чугун).
Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 °С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах . Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 Мн/м 2 , литейных до 550 Мн/м 2 , по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м 2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м 2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.
К Конструкционные материалы относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных отраслях техники (см. Бериллиевые сплавы , Медноникелевые сплавы , Молибденовые сплавы ).
Неметаллические Конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры ), керамику , огнеупоры , стекла , резины , древесину . Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов , армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы - полистирол , полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.
Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.
Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционные материалы , стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы , сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
Т. к. в составе Конструкционные материалы нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств Конструкционные материалы связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс композиционных Конструкционные материалы В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные Конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20-50%.
Наряду с созданием композиционных Конструкционные материалы , имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путём повышения качества Конструкционные материалы является регламентация структуры традиционных Конструкционные материалы Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных Конструкционные материалы является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических Конструкционные материалы Так, ориентация линейных макромолекул полимерных материалов (ориентация стекол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.
При синтезировании композиционных Конструкционные материалы , создании сплавов и материалов с ориентированной структурой используются достижения материаловедения.
Лит.: Киселев Б. А., Стеклопластики, М., 1961; Конструкционные материалы, т. 1- 3, М., 1963-65; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова и К. И. Портного, М., 1967; Конструкционные свойства пластмасс, пер. с англ., М., 1967; Резина - конструкционный материал современного машиностроения. Сб. ст., М., 1967; Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник, под ред. И. В. Кудрявцева, т. 1-5, М., 1967-69; Химушин Ф. Ф., Жаропрочные стали и сплавы, 2 изд., М., 1969; Современные композиционные материалы, пер. с англ., М., 1970; Алюминиевые сплавы. Сб. ст., т. 1-6, М., 1963-69.
А. Т. Туманов, Н. С. Скляров.
Статья про слово "Конструкционные материалы " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 49541 раз
Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью.
Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др. Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо, сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.
При конструировании самолетов от конструкционных материалов потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах.
С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.
Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.
К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах, а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.
Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С, выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах (см. Плазмотрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология). Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.
Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами, применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы, полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и радиооборудования и др.
Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колес самолетов и автомобилей.
Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы летательных аппаратов используются многослойные конструкции, отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и другими свойствами.
В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и термической обработки.
В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50- 100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.
