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.

Конструкционные материалы – это материалы, на основе которых изготавливают детали для машин, инженерных сооружений и конструкций. Они в ходе работы неоднократно будут подвергаться механическим нагрузкам. Такие детали характеризуются большим разнообразием не только форменным, но и эксплуатационным. Их применяют в разных отраслях промышленности, с их помощью делают промышленные печи, детали для автомобилей, их используют в авиационной сфере. Задача производителя выполнить конструкционную деталь, готовую работать при разных температурах, в разных средах и с достаточно интенсивными нагрузками. Главным отличием продукции от остальных дополнений конструкций является их готовность долговременно принимать на себя максимальные нагрузки.

Виды, типы, классификации

Ввиду того что металлы являются практически самыми надежными и долговечными составляющими, конструкционные материалы изготавливаются в большей степени из них. Поэтому КМ классифицируются и распознаются по материалу, из которого были изготовлены. Зачастую из металлов предпочитают сталь из-за ее прочности, надежности и легкости в обработке.

За основу материалов берут сплавы, выполненные из стали, чугуна и железа. Данный вид имеет хорошую прочность, детали и элементы используются чаще других. Также используют сплавы с магнитными и немагнитными формами. Применяются цветные и не цветные сочетания металлов. Зачастую это алюминий, но в некоторых деталях возможно использование сплавов на его основе. Сплавы используют в том случае, когда деталь нужно деформировать и преобразовывать неоднократно. Из цветных также используют медь (бронзу), титан.

Неметаллические материалы стали использоваться гораздо позднее предыдущей группы. Развитие технологий помогло создать более дешевую альтернативу. При этом неметаллы также прочны и надежны. Неметаллические конструкционные материалы изготавливают из древесины, керамики, стекла и разных видов резины.

• Композиционные материалы

Композиционные материалы состоят из элементов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. Они позволяют создавать конструкции с заранее определенными характеристиками. Материалы применяют для повышения эффективности. Название состава задается материалом матрицы. Такие материалы все имеют основу. Композиты, имеющие металлическую матрицу – металлические, керамическую – керамические и так далее. Они созданы искусственным путем, материал, который получают на выходе, имеет новый комплекс свойств. Композиционные материалы могут включать в себя как металлические, так и с неметаллические составляющие.

Существует еще одна классификация, позволяющая распознать какой именно необходим материал для выполнения выбранной задачи – это разбор на виды по техническим критериям.

• Материалы с повышенной прочностью;
• Материалы, имеющие отличительные технологические возможности;
• Долговечные материалы (элементы, на эксплуатацию которых не влияют механические раздражители);
• Упругие конструкционные материалы;
• Неплотные материалы;
• Материалы устойчивые к природным воздействиям;
• Материалы, имеющие высокую прочность.

Сферы применения

Использование конструкционных материалов приходится на любую сферу, связанную со строением и производством. Наиболее широкий спектр в использовании получили электроэнергетическая, строительная и машиностроительная отрасли. Именно здесь собрание конструкций является первой частью для созидания большого проекта.

Группы	Материалы	Сфера применения	Мех. свойства
Металлические конструкционные материалы	Бронза	Для получения фасонных отливок, втулок, подшипников, зубчатых колес и шестерен.	Высокая прочность на сжатие и фрикционные нагрузки, не окисляется.
	Инструментальная сталь	Для изготовления мерительных инструментов, режущих частей и мерных шаблонов.	Прочная, тяжелая, не окисляется, водостойкая.
	Титан	Ответственные детали в сфере авиации, ракетостроения и медицине.	Легкий, водостойкий, токопроводящий.
Неметаллические конструкционные материалы	Резина	Уплотняющие элементы любых конструкций, изоляторы от напряжения, герметизация, гибкие детали в сфере автомобилестроения, медицины, ракетостроения.	Низкая плотность при высокой упругости. Устойчивость к химическим и термическим воздействиям.
	Пластмассы	Широкое применение для изготовления изделий народного хозяйства, автомобилестроения, пищевой, авиационной, строительной промышленностей.	Низкая плотность и хорошая прочность. Низкая температура плавления. Устойчивость к химическим воздействиям.
	Азбест	Производство труб, покрытия домов, огнеупорных тканей и уплотнителей.	Низкая прочность при ударе. Устойчивость к природным воздействиям и химическим.
	Керамика	Изготовление посуды, изделий для туалета и ванной. Изготовление моделей и сувениров. Отдельные виды используются для изготовления ножей и режущего инструмента.	Высокая плотность, хрупкость, устойчивость к коррозии. Низкая упругость. Устойчивость к стиранию.
		Производство бронежилетов, армирующего слоя автомобильных шин, защитного слоя кабелей, экипировка для космонавтов, мотоциклистов, пожарников.	Высокая прочность, гибкость и низкая плотность. Устойчивость к химическому и механическому воздействию.
Композиционные материалы	Фанера	Мебельное производство, отделка помещений, сборно-щитовые конструкции в строительстве	Низкая плотность при высокой прочности. Простота обработки
	Бетон	Строительство самых разнообразных домов и конструкций.	Высокая прочность на сжатие. Большая плотность.
	Стеклопластик	Изготовление корпусов лодок и катеров. Обвеска автомобиля и диэлектрические детали. Корпуса бассейнов и декоративных изделий.	Высокая прочность и низкая плотность. Низкая пластичность.

Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два какие-либо критерия, характеризующие свойства материала. Как минимум, таких критериев должно быть четыре: жесткость конструкции, прочность материала, долговечность и надежность материала в условиях работы данной конструкции.

Жесткость конструкции.

Для многих силовых эле-ментов конструкций — шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т. п. — условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состоя-ния и т. д., а также и свойствами материала. Как было отмечено в гл. 3, показателем жесткости материала яв-ляется модуль нормальной упругости Ε (модуль жест-кости) — структурно нечувствительная характеристика, зависящая только от природы материала.

Среди главных конструкционных материалов наибо-лее высокое значение модуля Ε имеет сталь, наиболее низкое — магниевые сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их плотности (удельного веса) и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости: Е/у, √ Е/у, 3 √E/y, (табл. 1).

При оценке по этим критериям, выбираемым в соот-ветствии с формой и напряженным состоянием, во мно-гих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгод-ным материалом— углеродистые и легированные стали.

Таблица 1

Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов

Материал	Е, кгс/мм 2	γ, г/см 3		√ Е/у	3 √E/y
Углеродистые и легирован-ные стали	18 000— 22 000
Титановые сплавы
Алюминиевые сплавы
Магниевые сплавы
Стеклоплас-тики

Прочность конструкционных материалов, используе-мых в технике, изменяется в очень широком диапазо-не— от 10—15 до 250—350 кгс/мм 2 . Однако выбор мате-риала только по абсолютному значению показателей прочности σ τ (σ 0,2), σ Β и др. не дает правильной оценки возможностей материала. Для создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет плотность (удельный вес) материалов γ. С учетом этого более правильно оценивать значение его удельной прочности отношением характеристик прочности σ Β , σ τ и т. д. к плотности (удельному весу) материала, напри-мер σ Β /γ, σ τ /γ, где γ —плотность (удельный вес) мате-риала, г/см 3 .

Таблица 2

Удельная прочность некоторых конструкционных материалов

Материал	σ Β , · кгс / мм 2	γ, г/см 3	σ Β /γ· 10 5 см
Углеродистая конструкционная сталь
Легированная конструкционная сталь 30ХГСА
Высокопрочные стали.
Магниевые сплавы МА2, МА8
Алюминиевые сплавы Д16, В95
Титановые сплавы
Стеклопластики типа СВАМ

Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что, на-пример, алюминиевые сплавы, имея значительно мень-шую абсолютную прочность, чем углеродистые и мно-гие легированные стали, превосходят их по удель-ной прочности. Это означает, что при равной проч-ности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов — титано-вые сплавы.

Оценивая реальную прочность конструкционного ма-териала, следует учитывать характеристики пластично-сти δ, ψ, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения.

Надежность конструкции — это ее способность крат-ковременно работать вне расчетной ситуации, например выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала

Долговечность конструкции также зависит от усло-вий ее работы. Прежде всего это сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление ма-териала поверхностному износу, возникающему при тре-нии качения со скольжением). Долговечность изделия, кроме того, зависит от предела выносливости, зависяще-го в свою очередь от состояния поверхности. Определяется долговечность и коррозионной стойкостью материала.

Сплавы железа — сталь и чугун являются основными металлическими материалами, используемыми в раз-личных отраслях народного хозяйства.

Наиболее универсальным и широко используемым ма-териалом является сталь. Кроме перечисленных требо-ваний, стали должны иметь и хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие из-делия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываться на металлорежущих станках, хорошо свариваться. В ряде случаев от сталей требуется высокая коррозионная стойкость или жаро-прочность и т. д.

Достоинством сталей является возможность полу-чать в них нужный комплекс свойств, изменяя их состав и обработку.

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Все стали можно разделить на две группы — углеро-дистые и легированные. Углеродистые стали являются основным конструкционным материалом, который ис-пользуют в различных

областях промышлен-ности. Эти стали про-ще в производстве и значительно дешевле легированных. Но уг-леродистые стали — это не только сплав железа с углеродом, это сплав сложного хи-мического состава. По-этому свойства таких сталей определяются и количеством углеро-да, и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеро-дом.

Влияние углерода.

В углеродистой стали механиче-ские свойства зависят главным образом от содержания углерода. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. увеличиваются прочность и твердость и уменьшается пластичность (рис. 1). Как видно из графика, приведенного на рис. 135, прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующая-ся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита уменьшает прочность стали.

Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют еще другие элементы, наличие которых обусловлено

Постоянные примеси.

Это кремний, марганец, фос-фор и сера.

Марганец и кремний вводят в процессе вы-плавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления закиси железа, поэтому их также называют технологи-ческими примесями.

Кроме того, марганец способствует уменьшению со-держания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn->MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в фер-рите, повышая его прочность; марганец может также растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7—0,8% Май до 0,5% Si.

Сера — вредная примесь — попадает в сталь глав-ным образом с исходным сырьем —чугуном. Сера не-растворима в железе, она образует с ним соединение FeS —сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe-FeS) с температурой плав-ления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900° С сталь стано-вится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется крас-ноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки ста-ли. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склон-ностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут об-разовываться участки, богатые фосфором. Располага-ясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладно-ломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой ста-ли допускается до 0,050%.

Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

Рис. 1. Зависимость свойств горяче-катаной углеродистой стали от содер-жания углерода различными причинами. Различают примеси: постоян-ные, скрытые, случайные и специально введенные.

Скрытые примеси.

Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложно-сти определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутст-вовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя хими-ческие соединения (нитриды, оксиды). Газы могут на-ходиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10 -2 —10 -4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплав-ке стали. Содержание этих элементов ниже тех преде-лов, когда их вводят специально как легирующие до-бавки.

Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а ста-ли, их содержащие, — легированными сталями.

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1% или более. При содержа-нии ванадия, молибдена, титана, ниобия и других эле-ментов более 0,1—0,5% стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, харак-терные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1%.

В конструкционных сталях легирование осуществля-ют с целью улучшения механических свойств — прочно-сти, пластичности и т. д. Кроме того, легирующие эле-менты изменяют физические, химические и другие свой-ства стали.

Нужный комплекс свойств достигается не только ле-гированием, но и рациональной термической обработ-кой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно увеличивают стоимость стали, а некоторые из них к то-му же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосно-вано.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск нужной марки стали с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, спо-собу выплавки, по структуре в отожженном или нор-мализованном состоянии, по качеству и по назначе-нию.

Классификация по химическому составу

По химическому составу прежде всего все стали мож-но разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и угле-рода один какой-либо легирующий элемент), четырех -компонентные и т. д. Более применительной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д.

По степени легирования, т. е. по содержанию ле-гирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5—5% леги-рующих элементов), среднелегированные (до 10%) и высоколегированные (более 10%)·

Классификация по способу выплавки

Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одина-ковом содержании углерода имеют практически одина-ковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием крем-ния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15— 0,35%, в полуспокойной 0,05—0,15%, в кипящей < 0,05%.

Легированные стали выплавляют только спокойными в печах мартеновских или электрических.

В результате уменьшения содержания кремния в фер-рите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоя-нии (например, для изготовления деталей глубокой вы-тяжкой). Но из-за большого содержания газов, особен-но азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при —10° С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количе-ство углерода, могут работать до —40° С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их исполь-зуют для изготовления неответственных деталей и кон-струкций.

Классификация по структуре

По структуре в отожженном состоянии стали разде-ляют на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количест-во ферритообразующих легирующих элементов, напри-мер хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды — легированный ледебурит.

Рис. 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали

По структуре после охлаждения на воздухе легиро-ванные стали разделяют на три основных класса: пер-литный, мартенситный и аустенитный (рис. 2) (струк-туру во всех случаях определяют по образцам неболь-шого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают ус-тойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных темпе-ратур при различном содержании легирующих элемен-тов и углерода получаются различные структуры.

Классификация по качеству

В основе классификации сталей по качеству лежит содержание вредных примесей — серы и фосфора. Раз-личают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высоко-качественную.

Сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%, Ст0 до 0,07% Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кис-лородных конверторах. Обозначение марок стали — бук-венно-цифровое: буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2... Ст6. Степень раскисленности стали обозначают бук-вами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали ма-рок Ст 0 — Ст 4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки сталей от Ст 1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В. В мар-ках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); Б СтЗкп (сталь 3, груп-пы Б, кипящая); В Ст 3пс (сталь 3, группы В, полуспо-койная); В Ст 4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.

Химический состав стали группы А не регламентиру-ется, его только указывают в сертификатах металлурги-ческого завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам (σ Β , σ τ и δ).

С увеличением номера стали прочность увеличивается, а пластичность уменьшается:

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают раз-личной обработке (ковке, сварке, термической обработ-ке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б.

Углеродистая сталь обыкновенного качества — де-шевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80% всего производства углеродистых сталей.

Качественные стали.

В качественных сталях макси-мальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04% серы и 0,04% фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. Поэто-му при примерно одинаковом содержании углерода ка-чественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного каче-ства особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому соста-ву и по механическим свойствам. Марки сталей обозна-чают цифрами, указывающими среднее содержание уг-лерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07—0,08% для одной марки), степень раскисленности — буквами пс, кп (спокойные качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10 кп (0,10% С, кипящая), сталь 30пс (0,30% С, полуспокойная), сталь 45 (0,45% С, спокойная) и т. д. Качественные углеро-дистые стали поставляются заказчику в различном со-стоянии: без термической обработки, после нормализа-ции, различной степени пластической деформации и т. д. Состав некоторых качественных углеродистых сталей и их механические свойства приведены в приложении, табл. 5,

В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S <0,035% и Р<0,035%). Поскольку при этом стои-мость стали существенно увеличивается, конструкцион-ные углеродистые стали редко выплавляют высококаче-ственными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, напри-мер сталь У10А. Легированные стали выплавляют толь-ко качественными, а чаще —высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в СССР при-нята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначают следующими бук-вами: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт —К, титан —Т, азот —А, марганец —Г, медь — Д, ванадий —Ф, кремний —С, фосфор —П, алюминий —Ю, бор —Р, ниобий —Б, цирконий — Ц.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых до-лях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1%, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содер-жит около 0,18% С; 1% Cr; 1 % Μn и около 0,1 % Ti; мар-ки 12ХН3-0,12% С; 1% Сr и 3% Ni.

Нестандартные стали обозначают различным обра-зом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (бук-ва П), например стали ЭИ395, ЭИ347, ЭП398 и т. д. Состав таких сталей приведен в справочниках.

Особо высококачественными выплавляют только ле-гированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015% серы и 0,025% фосфора. К ним предъявляют по-вышенные требования и по содержанию других приме-сей.

Классификация по назначению

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особы-ми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержа-щие углерода до 0,25%, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых це-ментации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.

Сталь	Ст 1пс	Ст Зпс и Ст Зсп	Ст 6сп
σ Β , кгс/мм 2 .
σ Т, кгс/мм 2 ,

Для деталей машин , испытывающих ударные нагруз-ки, используют стали, содержащие 0,30—0,50% С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т. д.). Эти стали подвергают термической обработке — закалке с после-дующим высокотемпературным отпуском (улучшению).

Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50—0,70% С. Эти стали также применяют только пос-ле соответствующей термической обработки.

Стали, содержащие 0,7—1,5% С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Угле-родистые стали маркируются У7, У8, У13, где бук-ва У обозначает углеродистую сталь, а число показыва-ет содержание углерода в десятых долях процента, т. е. сталь У10 содержит 1% С. Эти стали иногда выплавля-ют высококачественными и тогда их маркируют У10А или У8А и т. п. У инструментальных легированных сталей содержа-ние углерода также обозначают в десятых долях про-цента, например сталь марки 9ХС содержит 0,9% С; 1% Сr и 1,4% Si. Если углерода больше 1%, то цифры не указывают, например стали ХВГ, ХГ и т. д.

Стали и сплавы с особыми свойствами . К этой группе относятся стали, коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы; с особыми магнитными свойствами и т. д.

ДЕФЕКТЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Кроме дефектов, характерных для углеродистых ста-лей, в легированных сталях проявляются и специфиче-ские дефекты: дендритная ликвация, флокены и от-пускная хрупкость II рода.

Дендритная ликвация. Наличие легирующих элемен-тов увеличивает температурный интервал кристаллиза-ции. Кроме того, как было отмечено, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ус-траняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

Флокены. Ранее неоднократно отмечалось различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их не-желательное присутствие, так как при этом свойства сталей ухудшаются. Так, например, возникает один из дефектов легированных сталей — флокены (трещины, ко-торые можно выявить при макротравлении). На изло-мах флокены имеют вид блестящих круглых или оваль-ных пятен, являющихся поверхностью трещин. В настоя-щее время установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200° С после ковки или прокатки. Их образование происходит вследствие при-сутствия в металле водорода, растворившегося в жид-ком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внут-ренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в хромовых и хромоникелевых конструкционных сталях. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл охлаждают медленно в области 250—200° С или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ

Некоторые детали работают в условиях поверхност-ного износа, испытывая при этом и динамические на-грузки. Для изготовления таких деталей используют малоуглеродистые стали, содержащие 0,10—0,30% С, подвергая их цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответ-ственного назначения применяют малоуглеродистые ста-ли марок 10, 15, 20. Для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием угле-рода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и т. д. Чем выше требо-вания к свойствам, тем более сложные стали по составу применяют.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т. д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1%Сг. При содержании хрома до 1,5% в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fe, Сr) 3 С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после тер-мической обработки увеличивается и глубина закален-ного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ва-надием (0,1—0,2%) — сталь 15ХФ — способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластич-ность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей средних раз-меров, испытывающих при работе высокие удельные на-грузки, используют стали, в состав которых входит ни-кель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глу-бину закаленного слоя, препятствует росту зерна и обра-зованию грубой цементитной сетки. Никель положитель-но влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Ввиду дефицитности никеля эти стали стремятся заме-нить другими легированными сталями. К таким сталям относятся хромомарганцевые стали с небольшим количе-ством титана (0,006—0,12%): 18ХГТ, 30ХГТ. В цемен-туемые стали титан вводят только для измельчения зер-на. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей.

В последние годы с целью повышения прочности для цементуемых деталей применяют стали, легированные бором (0,002-0,005%): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях экономии никеля применяют вместо ста-ли 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, уве-личивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к пе-регреву их дополнительно легируют Ti или Zr.

Обычно изделия, изготовленные из высоколегирован-ных цементуемых сталей, подвергают цементации на не-большую глубину.

УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3—0,5% С), подвергае-мые закалке и последующему высокотемпературному от-пуску. После такой термической обработки стали при-обретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают σ Β =60-70 кгс/мм 2 и α Η =4-5 кгс-м/см 2 . Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпин-дели, валы, оси и т. д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость HRC 40—50. Для получения высо-кой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т. д.).

Для повышения механических свойств сталей при изготовлении деталей сечением более 25—30 мм в со-став сталей добавляют легирующие элементы. Легиро-ванные стали обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряже-ния, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их ос-новное преимущество перед углеродистыми конструк-ционными сталями — лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости и т. п.

Большинство легированных конструкционных сталей относятся к перлитному классу.

При создании марок легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его де-фицитность.

Основным легирующим элементом в конструкцион-ных сталях является хром, содержание которого обыч-но составляет 0,8—1,1%; марганца в сталях до 1,5%; кремния 0,9—1,2%; молибдена 0,15—0,45%; никеля 1— 4,5%. Общая сумма легирующих элементов не превы-шает 3—5%.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увели-чивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость, Никель является исключением — он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладно-ломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особен-но ценны как конструкционный материал.

Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1% V, Ti, Nb

Zr для измельчения зерна Введение 0,002—0,003% В увеличивает прокаливаемость.

Улучшаемые стали можно условно разделить на несколь-ко групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1% Μn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15—0,25% Мо.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль , легированы хромом, кремнием и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемо-стью и прочностью, например сталь 30ХГС после тер-мической обработки имеет σ Ε = 165 кгс/мм 2 при а н = 4 кгс-м/см 2 . Недостаток этих сталей — склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, сложнее ее конфигура-ция, выше напряжения, возникающие в пей в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.

Рис. 3. Диаграмма для выбо-ра марок конструкционной ста-ли в зависимости от заданной прочности и размеров сечения а детали: 1 - 30ХНЗМ; 2 — 30ХНЗ; 3 - 34ХМА; 4 — ЗЗХСА; 5 — ЗОНЗ; 6 — 35ХА; 7 — 35СГ; 8 — сталь 30

Молибден и вольфрам вводят в состав сталей также для уменьшения склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных проч-ности и размеров сечения.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим не-обходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности σ Β , как пра-вило, получают не более 110—120 кгс/мм 2 , так как при большей прочности сталь практически становится хруп-кой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают σ Β = = 180—200 кгс/мм 2 , называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено не-сколькими способами. Один из таких способов — леги-рование среднеуглеродистых сталей (0,4—0,5% С) хро-мом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200—300° С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладнолом-кости, увеличивает сопротивление хрупкому разруше-нию. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Сr; 1 % Мо и 0,5% V, после закалки в масле и низкого от-пуска при 200°С имеет σ Β =200 кгс/мм 2 при 6 = 10%, ψ=40% и а н =3 кгс-м/см 2 .

Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермичес-кая закалка) приобретают высокую прочность — та-кая обработка сообщает сталям меньшую чувствитель-ность к надрезам. Прочность σ Β =160—185 кгс/мм 2 при δ=15—12% и а н =4—2 кгс-м/см 2 .

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения тер-момеханической обработки (ТМО). Так, стали ЗОХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют предел прочности до 280 кгс/мм 2 , относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5—2 раза по срав-нению с обычной термической обработкой. Объясняет-ся это тем, что частичное выделение углерода из аусте-нита при деформации облегчает подвижность дислока-ций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дис-локаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода).

Мартенситностареющие ст али .

Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластично-стью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинст-ва— высокая технологическая пластичность при обра-ботке давлением в широком интервале температур; от-сутствие трещинообразования при охлаждении с лю-быми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.

Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение про-текает по второму механизму, т. е. образуется реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая плотность дислокаций (до 10 10 —10 12 см). Для их закрепления требу-ется более 0,2% С, а в этих сталях его содержание 0,03%. Кроме того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мар-тенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень пластична. После закалки σ Β = 90—110 кгс/мм 2 , а δ =14—20%, ψ =70—80% и α = 20—30 кгс-м/см 2 .

Изделия из этих сталей получают пластической деформацией после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500° С.

Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения, который проводят при 480—500° С, за счет перераспределения леги-рующих элементов. Это приводит к образованию зон концентраци-онной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi, Νi 2 (Ti, Al), FeMo a в высокодисперсном состоянии. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и их размер не превышает 20—50 А.

Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на дислокациях. Дисперсные частицы, выделяясь на дислокациях, за-крепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличи-вается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочне-ние стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении.

Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значитель-нее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и титана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь 20—25 Ni. После термической обработки мартенситностареющих сталей получают σ В =240—280 кгс/мм 2 при б=12%, ψ=40% и а н = 10 кгс-м/см 2 (см. табл. 3).

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицит-ность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились марки так называемых «экономнолегированных» мартенситностареющих сталей: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.

Таблица 3

Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей

							кгсм/см а	кгс-м/см 2

Примечание. Во всех сталях содержится: <0,03% С; 0,01% S; 0,01% Р; 0,05-0,20% Аl.

Мартенситностареющие стали относятся к высоко-легированным сталям. Основным легирующим элемен-том является никель (10—26%), Кроме того, различа-ясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7— 9% Со; 4,5—5% Мо; 5-11% Сr; 0,1—0,35 Аl; -0,15— 1,6% Ti; иногда -0,3—0,5% Nb; <0,2% Si, Μn; <0,01% S, Ρ каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов.

В мартенситностареющих сталях стремятся полу-чить минимальное количество углерода (^0,03%), так как углерод, образуя с легирующими элементами кар-биды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элемен-тов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800—860° С, охлажде-нии на воздухе и затем отпуске — старении.

Мартенситностареющие стали используют для изго-товления шасси самолетов, оболочек космических лета-тельных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в со-четании с достаточной пластичностью.

ПРУЖИННО-РЕССОРНЫЕ СТАЛИ

Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д., — сохранение в течение длительного времени уп-ругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости (σ γπ), высокое сопро-тивление разрушению (S k) и усталости при пониженной плас-тичности.

Термически упрочняемые пру-жинно-рессорные стали обычно содержат 0,5—0,7% С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением витков приме-няют углеродистые стали по ГОСТ 1050—74. Для пружин бо-лее ответственного назначения и при большем сечении витков при-меняют легированные пружин-ные стали.

Для повышения выносливости пружин и рессор ши-роко применяют дробеструйную обработку.

Рис. 4 . Схема изменения прочности пружинных ста-лей в зависимости от темпе-ратуры отпуска

Чаще всего пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний создает высокое значение предела уп-ругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокаливаемость и их применяют для изготовления пружин из прутков диаметром до 25 мм. Для крупных наиболее ответственных пружин применяют стали 65С2ВА, 60С2ХФА.

Режим термической обработки назначают в зависи-мости от состава стали и условий работы пружин. Наи-более высокая упругая прочность достигается в резуль-тате среднего отпуска на троостит.

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ

Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ро-лики) в процессе работы испытывают высокие удель-ные переменные нагрузки. Поэтому стали, используе-мые для их изготовления, должны иметь высокую проч-ность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъяв-ляют высокие требования по содержанию неметалличе ских включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты явля-ются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание не-металлических включений, что резко снижает долговеч-ность подшипника.

Таблица 4

Химический состав (%) шарикоподшипниковой стали.

Сталь		С r	Μ n

Примечание. Во всех сталях содержится <0,02% S; <0,027% Р.

Для изготовления шариковых и роликовых под-шипников применяют высокоуглеродистую сталь, леги-рованную хромом (табл. 4).

Маркировку ШХ следует расшифровывать как ша-рикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента.

Шарики и ролики небольших диаметров изготавли-вают из стали ШХ9. Из стали ШХ15 изготавливают ша-рики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15—30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диа-метром более 30 мм и кольца с толщиной стенки более 15 мм — из стали ШХ15СГ,

Для изготовления деталей крупногабаритных под-шипников, работающих при больших ударных нагруз-ках (например, подшипников прокатных станов), при-меняют цементуемую сталь марки 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементован-ный слой глубиной 5—10 мм.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Износ деталей машин и аппаратов является слож-ным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом слу-чае металл наклёпывается с поверхности, поэтому из-носостойкость существенно зависит от способности ме-талла наклёпываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.

Графитизированные стали. Графитизированные ста-ли (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366) содержат повышенное ко-личество углерода (до 1,75%) и кремния (до 1,6%)· Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжи-га (напоминающего отжиг для получения ковкого чу-гуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого пер-лита с некоторым количеством мелких округлых вклю-чений графита. При неабразивном износе графит игра-ет роль смазки, предотвращая сухое трение и схваты-вание. Кроме того, эти стали обладают антивибрацион-ными свойствами.

Графитизировапную сталь применяют для изготов-ления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, ло-пастей дробеструйных аппаратов и т.д.

Высокомарганцовистые стали. Высокомарганцови-стые стали, содержащие около 1% С и 12—13% Μn, обозначают так: сталь Г13 (1,2% С; 13% Мn; <0,5% Si) и сталь Г13Л (1,2% С; 12% Мn и -1% Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn) 3 С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вяз-кость и прочность стали. Поэтому обычно изделия под-вергают закалке с 1050—1100° С в воде, получая струк-туру однородного марганцовистого аустенита (σ Β = 80-Η 4-100 кгс/мм 2 ; δ = 40-τ-50%; НВ 2004-250). Характер-ной особенностью марганцовистого аустенита является его повышенная склонность к наклепу. При деформа-ции на 60—70% твердость стали ПЗ увеличивается до НВ500 (рис. 5), что объяс-няется большими искажения-ми кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации удар-ные нагрузки и износ одновре-менно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режу-щим инструментом, изделия из нее изготавливаются литьем.

Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и т.д.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Так как детали строительных конструкций соединя-ют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому стро-ительные стали содержат углерода до 0,25%. При бо-лее высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае на-блюдается объемный эффект, что способствует образо-ванию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллиза-ции металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.

Рис. 5 . Влияние степени де-формации на твердость стали ПЗ (1) и углеродистой стали 40 (2)

В качестве строительных сталей используют глав-ным образом углеродистые стали обыкновенного каче-ства марок СтЗ, Ст4, имеющие предел текучести 20—27 кгс/мм 2 .

Прочность строительных сталей повышается в ре-зультате легирования. Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная сталь содержит до 1,75% Μn и до 0,7% Si. Предел текучести увеличивает-ся до 36—38 кгс/мм 2 .

Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических свойств, имеют еще одно пре-имущество— пониженную критическую температуру пе-рехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до —40° С, а стали 10ХСНД и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до —60° С.

АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ

Для изготовления неответственных деталей, произ-водимых в большом количестве на станках-автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые автоматные стали (ГОСТ 1414—75). В та-ких сталях допускается повышенное содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью, благодаря чему стружка образуется короткая и лом-кая, а поверхность обработанных деталей получает-ся чистой и ровной. При изготовлении деталей из автоматных сталей возможны большие скорости ре-зания.

Таблица 5

Химический состав (%) автоматных сталей

Марка стали

Примечание. Во всех сталях содержится 0,15—0,35% Si.

Добавки свинца (~0,25%) улучшают обрабатывае-мость резанием (АС11, АС40). Автоматные стали мар-кируют буквой А (автоматная), затем следуют цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых до-лях процента (табл. 5).

Автоматные стали подвергают диффузионному от-жигу при температуре 1100—1150° С для устранения ликвации серы, тем самым устраняется возможность красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.).

ЧУГУНЫ

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, со-держащие более 2% С. Наиболее значительную часть выплавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако не менее 20% его используют для изготовления литых деталей машин и других изделий. В практике машино-строения в большинстве случаев используют чугун с со-держанием 2,5—4% С. В промышленном чугуне, кроме углерода, обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).

Чугун отличается высокими литейными свойствами, изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергает-ся обработке давлением. В зависимости от формы вы-деления углерода чугун подразделяют на белый, поло-винчатый и серый.

Белым называют такой чугун, в котором при нор-мальной температуре весь углерод находится в связан-ном состоянии, в основном в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск.

Серым называют такой чугун, в котором весь угле-род или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8%. Ввиду большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.

В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% С присутству-ет в форме цементита.

В ряде случаев находят применение детали, изготов-ленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная масса металла в таких деталях имеет структуру серого чугуна и только в поверхностном слое почти весь угле-род находится в форме цементита. Типичным примером являются прокатные валки для холодной прокатки листов. Наличие большого количества цементита придает валкам высокую поверхностную твердость и высокое сопротивление износу, что способствует получению лис-тов с чистой поверхностью.

Структура чугунов существенно зависит от их хими-ческого состава и скорости охлаждения.

Рис. 6 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в от-ливке (с толщиной стенки 50 мм) в зависимости от содержания в чу-гуне кремния и углерода:

1 — белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны

Рис. 7 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в отливке в зависимости от суммы содержания углерода и кремния, а также толщины отливки:

1— белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны

Химический состав. Кремний способствует графитизации чугуна. Кремний растворяется в Fe a , образуя раствор замещения. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%. На рис. 6 приведена диа-грамма, которая дает возможность определить заранее будущую структуру отливки по содержанию углерода и кремния.

Марганец препятствует графитизации, способст-вует получению в структуре чугуна цементита. Содер-жание марганца в чугунах — от 0,4 до 1,3%.

С е ρ а в чугунах является нежелательным элемен-том. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбели-ванию чугуна, как и марганец. Содержание серы допу-скается не более 0,08—0,12%,

Фосфор в чугунах — полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтек-тики увеличивают твердость и износостойкость чу-гуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0,3 до 0,8%.

Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (ни-кель, хром, алюминий, молибден и т.д.), тем самым улучшая их свойства.

Скорость охлаждения.

Кроме регулирования содер-жания углерода и кремния, необходимо также учиты-вать скорость охлаждения отливок. Известно, что бы-строе охлаждение способствует получению белого чугуна, замедленное — серого чугуна. На рис.7 при-ведена диаграмма, пользуясь которой можно получить в отливке нужную структуру, регулируя химический со-став и скорость охлаждения.

СЕРЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ

В серых литейных чугунах обычно содержится до 3,8% С. В форме цементита находится не более 0,8% С, остальной углерод содержится в графитовых чешуйках, размер и форма которых зависят от состава чугуна и технологии отливки. Металлической основой серого чу-гуна является доэвтектоидная или эвтектоидная сталь, т.е. Φ, Ф+П и Π (рис. 8,а, б). Структура металли-ческой основы практически не влияет на пластичность серого чугуна (она во всех случаях остается чрезвычай-но низкой), но оказывает влияние на его твердость.

Графит имеет низкую механическую прочность. Ме-ста его залегания можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности. Удельный объем гра-фита примерно в 3,5 раза больше удельного объема же-леза, поэтому при содержании в чугуне 3% графита он занимает примерно 10% объема.

Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами вклю-чений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность.

Такая форма достигается путем модифицирования. Для серых чугунов в качестве модификаторов исполь-зуют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Моди-фикаторы вводят в таком небольшом количестве, что они заметно не изменяют химического состава, но ока-зывают сильное влияние на процесс графитизации. Кроме того, они играют роль зародышевых центров вы-деления графита.

Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидкотекучестью, малой усадкой. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрик-ционными и демпфирующими свойствами (графит выполняет роль смазки). По ГОСТ 1412-70 серые чугуны маркируются буквами СЧ и далее следуют числа пре-дела прочности при растяжении и предела прочности при изгибе. Например, СЧ 12-28, СЧ 24-44, СЧ 32-52, СЧ 44-64.

Рис. 8 . Структура серых чугунов с феррито-перлитной (а) и перлитной (б) металлической основой. Х200

Чугуны до СЧ 18-36 используют для неответствен-ных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насо-сов, фундаментные плиты, строительные колонны и т.п. Чугуны начиная с СЧ 21-40 используют для изготовле-ния станин мощных станков, деталей металлургическо-го оборудования, зубчатых колес и т.д.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ

В высокопрочных чугунах содержание углерода около 3—3,6%. Если использовать в качестве модифи-катора магний (до 0,5% от массы отливки), который вводят перед разливкой в жидкий чугун, то выделяю-щийся графит приобретает шаровидную форму (рис. 9 а, б). Механические свойства чугуна в результате этого улучшаются: сильно повышается его пластич-ность и заметно увеличивается прочность.

Рис.9. Высокопрочный чугун на ферритной (я) и феррито-перлитной (б) основе; ковкий чугун на ферритной (в) и перлитной (г) основе.

Большая доля магния в газообразном состоянии удаляется из жидкого металла и лишь небольшая часть (около 0,05%) усваивается чугуном.

Чугун с шаровидной формой включений графита на-зывают высокопрочным чугуном и маркируют буквами ВЧ. Далее следуют числа —предел прочности при рас-тяжении и относительное удлинение, например, ВЧ 38-17, ВЧ 60-2, ВЧ 120-4 Металлическая основа высокопрочного чугуна так-же может быть различной: феррит, феррит с перлитом и перлит (см. рис. 9, а, б).

Основной причиной высоких механических свойств магниевого чугуна является шаровидная форма графита. В сером чугуне пластинчатые выделения представляют собой внутренние «надрезы» с очень острыми краями. При нагружении материала у оснований этих надрезов возникает сильная концентрация напряжений, которые мо-гут вызвать развитие острых трещин, являющихся продолжением графитовых включений. Полости шарообразной формы не создают такой неравномерности в распределении напряжений.

Благодаря хорошим механическим свойствам из вы-сокопрочного чугуна изготавливают ответственные де-тали, например коленчатые валы, зубчатые колеса, кор-пуса автомобильных моторов, крупные прокатные вал-ки, корпуса паровых турбин и т.д.

КОВКИЕ ЧУГУНЫ

Термин «ковкий чугун» является условным, посколь-ку изделия из него, так же как и из любого другого чу-гуна, изготовляют не ковкой, а путем литья. В ковком чугуне графит находится в форме хлопьев (см. рис,9,в, г). Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических харак-теристик ковкого чугуна. Производство ковкого чугуна, несмотря на значительную сложность технологии, бы-ло освоено намного раньше, чем высокопрочного чу-гуна.

Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,2—3,0% С; 0,7—1,5% Si; 0,2— 0,6% Μn; <0,2% Ρ и <0,1% S.

Чугун такого состава после заполнения литейных форм быстро охлаждают и получают белый чугун со структурой перлит+ледебурит.

Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при производстве изделий из ковкого чугуна является отжиг, который продолжается иногда до пяти суток. Типичный график отжига ковкого чугуна приведен на рис,10. Изделия для отжига укладывают на под печи или упаковывают в ящики с песком для предохранения от окислительного действия печных газов (при этом продолжительность отжига увеличивается ввиду мень-шей скорости нагрева).

Рис. 10. График отжига ковкого чугуна:

(A + Fe 3 C ) — ледебурит; А — аустенит; П — пер-лит; Φ — феррит; Г — графит

Отжиг в печи в обычной, а также в нейтральной ат-мосферах, т.е. при упаковке изделий в коробки с пес-ком, проводят при нагреве примерно до 950° С, причем

в результате выдержки изделий при данной температу-ре должен произойти полный распад всего избыточного цементита, находящегося в равновесии с аустенитом: Fe 3 C->-3Fe + C. Кроме того, распаду цементита в ков-ком чугуне способствует находящийся в нем кремний. Процесс графитизации был описан ранее. Для того что-бы графитизация прошла полностью, необходимо осо-бенно замедлить охлаждение чугуна в температурной области от 760 до 720° С, т. е. в районе эвтектоидного превращения. В процессе этой выдержки происходит распад аустенита эвтектоидного состава на феррит и графит. Графит, получающийся в результате данного превращения, выделяется около тех хлопьев графита, которые образовались при распаде цементита.

В результате всех превращений структура ковкого чугуна будет состоять из зерен феррита и равномерно распределенных в объеме металла хлопьев графита. Поскольку в таком чугуне находится довольно много графита, излом получается темным и его называют черносердечным.

Если в районе эвтектоидного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будут присутствовать зерна перлита в большем или меньшем количестве. Регулируя скорость охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура которого будет состоять из перлита+хлопья графита. Такой чугун называют перлитным ковким чугуном или светлосердечным.

Рис. 11. Влияние металлической основы и формы включений графита на свойства чугунов

В последние годы появились различные варианты термической обработки при получении ковкого чугуна, преследующие одну цель— сокращение продолжительности отжига. Отжиг небольших деталей проводят в солевых ваннах. В этом случае отливки быстрее и рав-номернее нагреваются, кроме того, можно увеличить температуру отжига, поскольку при таком нагреве среда не оказывает химичес-кого действия на поверхность отливок (обезуглероживания, окисле-ния). Структуру перлитного ковкого чугуна получают за несколько часов.

Продолжительность отжига сокращается на 25—30% и в том случае, если произвести модифицирование чугуна добавлением в ковш - 0,015% А1. В результате получается мелкозернистый аустенит, имеющий большую межзерновую поверхность, на которой зарождаются и растут частицы графита. Одновременно с модифици-рованием осуществляют иногда и искусственное старение, заключающееся в предварительном нагреве отливок до 350—450°С с вы-держкой до 6—7 ч. Такая обработка также способствует увеличению числа центров кристаллизации.

Предложен метод предварительной закал-ки отливок с 850—950° С. В результате закалки также увеличивает-ся число центров выделения графита, что способствует ускорению превращения белого чугуна в ковкий. Продолжительность отжига отливок в этом случае сокращается до 20—25 ч, графит выделяет-ся в виде мелких чешуек.

На рис. 11 приведена схема, показывающая влия-ние металлической основы и формы выделений графита на свойства различных видов чугунов.

1.

2. Исходные материалы и способы получения алюминия .

3. Свойства и применение древесины.

4.

1. Классификация свойств конструкционных материалов. Эксплуатационные свойства, их показатели.

Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы подразделяются (рис. 1): по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других 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.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, 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.

Рис. 1. Схема классификации конструкционных материалов

При выборе материала для того или иного изделия или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения (соответствие цены и качества), сохранение конструкционных критериев (требуемые долговечность, прочность, надежность) и возможность переработки в изделие (технологические критерии – обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость и т. п.). С учетом данных критериев выбирают материал той или иной природы.

Металлические материалы. К ним относятся металлы и сплавы на их основе. Они в свою очередь подразделяются на 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.

Неметаллические материалы. Они также подразделяются на несколько групп:

1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, в основном, с наполнителями;

2. Керамические материалы (керамика). Их основой являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.;

3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость;

4. Стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2;

5. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавле-нием серы и других элементов;

6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных растений.

Композиционные материалы. Они представляют собой материалы, полученные искусственным путем из двух и более различных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция по своим свойствам существенно отличается от свойств составляющих компонентов, т. е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как металлические, так и неметаллические составляющие.

Классификация свойств конструкционных материалов

1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.

· Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних нагрузок;

· Твердость – это способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии;

· Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения;

· Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения;

· Хрупкость – это способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации.

2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.

· Свет – это способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны;

· Плотность – это масса единицы объема вещества;

· Температура плавления – это температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую;

· Электропроводность – это способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток;

· Теплопроводность – это способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому;

· Теплоёмктсть - это способность материала поглощать определенное количество теплоты;

· Магнитные свойства - способность материалахорошо намагничиваться;

· Коэффициент объемного и линейного расширения – характеризует изменение размеров тела при изменении температуры.

3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.

Литейные свойства; К ней относятся жидкотекучесть - способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее. Заполняемость - она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил. Объемная усадка - характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла. Линейная усадка - отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения до комнатной температуры.

· Ковкость (важно при обработке давлением) - это способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка);

· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);

· Обработка резанием;

· Прокаливаемость;

· Закаливаемость.

4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.
Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость, хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей - в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.

Хладостойкость - способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.

Жаропрочность - это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

Антифрикционность - это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали.

5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.

· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);

· Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);

· Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов - химикостойкость ));

· Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).

2. Исходные материалы и способы получения алюминия.

Алюминий – это один из важнейших металлов, причем количество его производства намного опережает объем выпуска всех остальных цветных металлов и уступает только производству стали. Высокая популярность алюминия обусловлена его уникальными физико - химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике , авиа - и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники , строительстве, упаковке пищевых продуктов и пр.

В последнее время машиностроение во все большей мере требует легких металлов, особенно в авиастроении, ракетостроении, атомной промышленности и железнодорожном транспорте . Поэтому развитие новых и более экономичных методов получения алюминия и усовершенствование уже существующих методов имеет большое значение.

Электролиз криолитоглиноземных расплавов является основным способом получения алюминия, хотя некоторое количество алюминиевых сплавов получается электротермическим способом.

Первые промышленные электролизеры были на силу тока до 0,6 кА и за последующие 100 лет она возросла до 300 кА. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.

Общая схема производства алюминия представлена на рис. 2. Основным агрегатом является электролизер. Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фторида алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 8 % (масс.). Сверху в ванну опущен угольный анод , частично погруженный в электролит. Существуют два основных типа расходуемых анодов: самообжигающиеся и предварительно обожженные. Первые используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего.

Рис. 2 Схема производства алюминия из глинозема.

Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950 – 960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы – очень агрессивны, противостоять которым могут углеродистые и некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.

Для преобразования переменного тока в постоянный на современных заводах применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные в кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один выпрямительный агрегат дает ток силой до 63 кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, так как все они включены параллельно.

Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически выливается с помощью вакуум-ковша и направляется в литейное отделение на разливку или миксер, где в зависимости от дальнейшего назначения металла готовятся сплавы с кремнием, магнием, марганцем, медью или проводится рафинирование. На аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО2 и СО.

Электролизеры обычно снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов . В удаляемых газах от электролизеров преобладают диоксид углерода (большая часть оксида углерода дожигается либо над электролитом, либо в специальных горелках после газосборного колокола), азот , кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяются различные технологические схемы.

Современные электролизеры оборудованы системой автоматического питания глиноземом (АПГ) с периодом загрузки 10 – 30 мин.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением

Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуются глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса – разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. Для получения 1 т алюминия необходимо:

Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии.

Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.), так как эти примеси при электролизе практически полностью переходят в металл.

Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов.

Получить чистый алюминий непосредственным восстановлением его оксида невозможно. Карботермические процессы требуют высоких температур (около 2000°С) для восстановления глинозема и при отсутствии сплавообразующих компонентов металл связывается с углеродом, давая карбид алюминия (А14С3). Известно, что карбид алюминия и алюминий растворимы друг в друге и образуют весьма тугоплавкие смеси. Кроме того, А14С3 растворяется в А12О3, поэтому в результате восстановления оксида алюминия углеродом получаются смеси алюминия, карбида и оксида, имеющие высокие температуры плавления. Выпустить такую массу из печи обычно не представляется возможным. Даже если это и удается сделать, потребуются большие затраты на разделение.

Общая технологическая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов представлена на рис. 3. В качестве исходного сырья, кроме каолинов (Al2O3×2SiO2×2H2O), могут быть использованы кианиты (Al2O3×SiO2), дистенсиллиманиты (Al2O3×SiO2) и низкожелезистые бокситы.

Сплав после электроплавки поступает на очистку от неметаллических примесей. Для этого подают флюс, состоящий из смеси криолита и хлорида натрия, который смачивает эти примеси и "собирает" их. Рафинированный силикоалюминий имеет средний состав (%): А1 – 61; Si – 36; Fe – 1,7; Ti – 0,6; Zr – 0,5; Ca – 0,7. Этот сплав не годится для производства силумина и требует очистки от железа. Наиболее распространен способ очистки марганцем, который образует с железом тугоплавкие интерметаллиды.

Рис. 3. Общая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов.

Полученный сплав разбавляют техническим электролитическим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего различным сортам силуминов, и разливают в слитки.

Преимущества такого способа получения силумина перед сплавлением электролитического алюминия с кристаллическим кремнием состоят в следующем: большая мощность единичного агрегата – современные печи имеют мощность 22,5 MB×A, что примерно в 30 раз выше мощности электролизера на 160 кА, а, следовательно, уменьшение грузопотоков , снижение капитальных затрат и затрат труда; применение сырья с низким кремниевым модулем, запасы которого в природе достаточно велики.

Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. Однако из-за сложности аппаратурного и технологического оформления в промышленности эти способы в настоящее время не реализуются.

Тот-процесс

Схема получения алюминия по способу Тота представлена на рис. 4. Алюминийсодержащее сырье после соответствующей подготовки хлорируют в кипящем слое в присутствии кокса и SiCl4. Последний используется для подавления реакции хлорирования SiO2. В результате хлорирования в печах кипящего слоя (КС) получается парогазовая смесь (ПГС), в состав которой входят А1С13, FeCl3, TiCl4 и SiCl4. В первом конденсаторе из ПГС выделяется около 75 % FeCl3 в твердом состоянии и направляется в реактор-окислитель, где взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего образуются Fe2O3 и С12. Хлор возвращается на хлорирование. Во втором конденсаторе выделяется оставшийся FeCl3 и происходит конденсация А1С13. Хлориды титана и кремния конденсируются в третьем конденсаторе. Разделение этих хлоридов осуществляется в ректификационной колонне.

Рис. 4. Схема получения алюминия по методу Тота.

Хлориды алюминия и железа, выгруженные из второго конденсатора, нагреваются, перекачиваются в контактный очиститель, где контактируют в противотоке с подвижным слоем твердых частиц алюминия. При этом идет реакция:

Очищенный хлорид алюминия поступает на металлотермическое восстановление. Технически доступными восстановителями, имеющими большее сродство к хлору, чем алюминий, являются натрий, магний и марганец. Однако первые два элемента дороги и их производство весьма энергоемко. Поэтому, по мнению разработчиков процесса, определенные преимущества имеет использование марганца, который можно регенерировать из хлорида карботермическим методом со значительно меньшими энергозатратами. При восстановлении хлорида алюминия марганцем протекают реакции:

Алюминий из смеси МпС12 с непрореагировавшим А1С13, выделяется в циклонных сепараторах, а хлориды марганца и алюминия разделяются в выпарном аппарате. Хлорид алюминия возвращается в реактор для получения алюминия, а хлорид марганца взаимодействует с кислородом с образованием твердых оксидов марганца и хлора. Оксид марганца восстанавливается до металла карботермическим методом в шахтных печах, куда загружают кокс и известняк. Марганец в печь добавляется для восполнения потерь его в ходе процесса.

К недостаткам данного процесса, как и других металлотермических методов, относятся загрязнение получаемого продукта металлом-восстановителем, необходимость организации производства по регенерации восстановителя и увлечение капитальных затрат.

Электролиз хлоридных расплавов

В январе 1973 г. фирма "Alcoa", один из мировых лидеров по производству и переработке алюминия, заявила о разработке нового способа получения алюминия.

Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 5.

Хлорид алюминия имеет высокое сродство к воде и тенденцию к образованию оксидов и гидрооксихлоридов. В связи с этим получение его в чистом виде является трудной задачей. Присутствие влаги вызывает коррозию, а присутствие кислородсодержащих соединений приводит к выделению осадков и окислению анодов. Фирмой "Alcoa" предложено хлорирование очищенного глинозема, что частично решает названные проблемы. Тем не менее, необходимо соблюдать повышенные требования к чистоте углерода при хлорировании в отношении водорода или влаги.

Рис. 5. Технологическая схема получения алюминия из хлорида.

Полученный хлорид алюминия в гранулированном или парообразном состоянии поступает на электролиз. Электролизер, используемый в данной технологии, состоит из стального кожуха, футерованного шамотным и в нижней части дополнительно диатомовым кирпичом, т. е. теплоизоляционным непроводящим огнеупорным материалом, который слабо взаимодействует с хлоридными расплавами. На дне ванны распо­ложен графитовый отсек для сбора жидкого алюминия. На крышке электролизера имеются отверстия для загрузки хлорида алюминия, периодического отсоса алюминия и непрерывного вывода газообразного хлора, используемого в производстве хлорида алюминия. Боковые стенки и крышка электролизера – водоохлаждаемые.

При электролизе используются графитовые нерасходуемые электроды. Это преимущество (по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов) вместе с относительно низкой температурой процесса (около 700ºС) дает возможность полной герметизации электролизеров.

Электролитическое разложение хлорида алюминия теоретически требуют более высокого напряжения, чем электролиз криолитоглиноземных расплавов, так как напряжение разложения хлорида алюминия много больше. Таким образом, к недостаткам процесса можно было бы отнести необходимость подвода в электролизер большого количества тепла и значительные потери напряжения. Однако высокие омические и тепловые потери значительно снижаются при использовании системы биполярных электродов. В электролизере верхний электрод является анодом, нижний – катодом, а между ними располагаются графитовые электроды, верхняя часть которых является катодом, а нижняя – анодом. В то же время результаты расчетов показывают, что с ростом числа биполярных электродов и снижением площади их сечения возрастают токи утечки, т. е. часть тока протекает по пропитанной электролитом части футеровки и каналам между футеровкой и биполями, не совершая электрохимическую работу. Эти токи утечки приводят к снижению выхода по току.

Вследствие близости температур плавления и кипения при атмосферном давлении хлорид алюминия возгоняется практически не плавясь. Температура сублимации составляет 180,2°С. Тройная точка соответствует температуре 192,6°С и абсолютному давлению 0,23 МПа. В связи с этим в качестве электролита используется расплавленная смесь хлорида алюминия (5 ± 2 % (масс.)), хлорида лития (~28% (масс.)) и хлорида натрия (67% (масс.)). В указанных расплавах снижается активность А1С13. Это в значительной степени обусловлено тем, что в расплавленных смесях хлоридов А1С13 связывается в комплексные анионы.

Основные прогнозируемые и подтвержденные при промышленном внедрении в США преимущества предложенного фирмой «Alcoa» способа производства алюминия электролизом его хлорида по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов заключаются в возможности использования низкокачественного алюминийсодержащего сырья, снижении примерно на 30 % удельного расхода электроэнергии при электролизе, исключении расхода высококачественных углеродсодержащих электродных материалов, применении менее дефицитных и агрессивных хлоридов вместо фторидов, повышении производительности труда, снижении капитальных вложений , приведенных затрат, стоимости конечной продукции и вредных выбросов в окружающую среду.

Таким образом, наиболее перспективным из альтернативных способов получения алюминия является электролиз хлорида алюминия в электролизерах с биполярными электродами.

3. Свойства и применение древесины .

Огромные пространства нашей планеты покрывают леса, они занимают около одной трети суши. Основным продуктом леса является древесина. По типу лесной растительности различают хвойные леса теплого умеренного климата, экваториальные дождевые леса, тропические влажные лиственные леса, леса сухих областей.

Древесина с древних времен используется для строительства жилищ , изготовления предметов домашнего обихода, для средств транспорта и разных изделий. Со временем наряду с древесиной в строительстве стали применяться металл, цемент, черепица, стекло, пластические массы.

Надо отметить, что древесина имеет и ряд недостатков: изменчивость свойств в направлении вдоль оси ствола и поперек; обладает гигроскопичностью, что приводит к увеличению ее массы и уменьшению прочности, а при высыхании древесина уменьшается в размерах (происходит усушка); она растрескивается и коробится; поражается грибами, что приводит к гниению; древесина способна гореть. Перечисленные недостатки в значительной мере устраняются путем химической и химико-механической переработки древесины в листовые и плитные материалы – бумагу, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанеру и др.

Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни. Ствол связывает корневую систему с кроной дерева. Ствол дает основную массу древесины (от 50 до 90% объема всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть – комлем. Древесина занимает наибольшую часть объема ствола. Диаметр ствола изменяется в широких пределах, примерно от 6-8 до 100 см. Форма поперечного сечения ствола и, следовательно, древесины чаще всего близка к окружности, но иногда сечение приобретает форму эллипса. Диаметр уменьшается по высоте ствола. В верхней части ствола древесину пронизывают сучки, представляющие собой остатки ветвей. Снаружи древесину покрывает кора, относительный объем которой для основных пород приведен в таблице:

Порода	Объем коры, %
Лиственница

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

1. Химические свойства древесины

Химический состав древесины и коры. Древесина в основном состоит из органических веществ. Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины (высушенной при 103оС) содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3 % азота.

Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Количество золы в древесине около 0,2-1 %. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде. Среди растворимых первое место занимают щелочные – поташ и сода, а из нерастворимых – соли кальция.

Химические элементы образуют сложные органические соединения. Главные из них – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, входящие в состав клеточных стенок древесины. Остальные вещества называются экстрактивными. Это смолы, дубильные и красящие вещества.

2. Физические свойства древесины

Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.

К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения – усушка, разбухание, растрескивание и коробление.

Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы – сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. Приятно пахнет можжевельник, поэтому его ветви применяют при запаривании бочек. Большое значение имеет запах древесины при изготовлении тары. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания.

Влажность древесины. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, так как приводит к ряду отрицательных явлений.

Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.

Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Она начинается после полного удаления из древесины свободной влаги и с начала удаления связанной влаги, т. е. когда ее влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок.

Разбухание – это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды.

3 Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.

Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.

Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.

Твердость – это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определенной формы.

Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость.

Износостойкость древесины – способность поверхностных слоев противостоять износу, т. е. разрушению в процессе трения.

Древесина используется для получения различных древесных материалов. К этим материалам относятся: круглые материалы, пиленые, строганные, лущеные, колотые лесоматериалы, измельченная древесина, композиционные древесные материалы. Все эти материалы широко используются в мебельной промышленности, судостроении, вагоностроении, машиностроении, электротехнике, строительстве, при изготовлении стандартных деревянных домов , в производстве автомобилей , пластмасс, линолеума, промышленных взрывчатых веществ, для упаковки продовольственных и промышленных товаров, для изготовления фибриловых плит и др., а также в других отраслях промышленности в качестве конструкционного, изоляционного и отделочного материала .

4. Чугун. Маркировка, свойства и применение серого чугуна.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С (рис. 6).

Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4.0 – 4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.

Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (F3C - цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той или иной формы, называются графитизированными.

Рис. 6. Структурная диаграмма состояния системы железо-цементит

В зависимости от формы графитных включений графитизированный чугун бывает серым, высокопрочным, ковким чугуны и с вермикулярным графитом.

Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1 – 3 %Si – обладающего сильным графитизирующим действием.

Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т. д.

Механические свойства серого чугуна

Марка чугуна	Предел прочностипри растяжении, кгс/мм2, не менее	Предел прочностипри изгибе, кгс/мм2, не менее	Стрела прогиба, мм, при расстоянии между опорами, мм	Твердость по Бринеллю, НВ
	Испытания не производятся

Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода (рис. 7).

Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т. е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.

Рис. 7. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме

графитовых включений

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой

эвтектоид (перлит), то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Также возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.

Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.

В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.

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.