При выборе материалов в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и разграничить факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие - по возможности.

Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физикохимическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно, если в конструкции должны работать разные материалы.

Более правильным является формирование технических требований к материалу на основании моделирования условий работы изделия в реальных условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно определить уровень локальных пиковых напряжений изделия. В том случае, когда не имеется возможности использовать стенд для измерения рабочего напряжения, возникающего в изделии при его эксплуатации, следует использовать расчетные методы.

Физико-химические свойства. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Применение в соединениях деталей из различных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т.д. могут вызвать повреждение в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.

Механические свойства. Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.

Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [о], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности , т.е. к коэффициенту запаса прочности п. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких - временное сопротивление:

[ = а Т /п Т или [а] = а в /я в. (2.1)

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в материале дефектов, допускаемых техническими условиями; степени схематизации расчетной процедуры и т.д.

В России за допускаемое принимается минимальное напряжение, определяемое по пределу текучести или временному сопротивлению. Такая же методика принята во многих странах. Однако в некоторых странах, например в Чехии, Словакии, Германии, Польше, для определения допускаемых напряжений расчет ведется только по пределу текучести, а в Японии - только по временному сопротивлению.

Коэффициент запаса может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опыта работы с данным материалом.

Для сосудов и аппаратов, работающих под давлением, коэффициент запаса по пределу текучести находится в пределах от 1,5 до 1,65, а по временному сопротивлению - от 2,35 до 4.

Однако расчеты на прочность конструкций по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов запаса не всегда гарантируют необходимый ресурс их работы. Это связано с тем, что назначаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, которые способствуют возникновению повреждений и разрушений несущих элементов конструкций и машин. К этим факторам относятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исходных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т.д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряжений; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статических и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок. Для учета этих факторов необходим переход от расчета по номинальным напряжениям к анализу локальных напряжений, возникающих в отдельных зонах изделия.

Для высокопрочных и среднепрочных материалов расчет допустимых значений следует проводить на основе принципов механики разрушения с учетом максимальных размеров дефектов. Это связано с тем, что повышение прочности обычно сопровождается уменьшением пластичности и вязкости материала.

Пластичность характеризует способность материала к пластическому течению при превышении предела текучести, а вязкость - способность поглощать энергию внешних сил при разрушении.

У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может очень сильно различаться. Например, алюминий имеет малую вязкость при высоком относительном удлинении. Наоборот, термообработанная (улучшенная), легированная сталь при сравнительно небольшом относительном удлинении может иметь высокую вязкость.

Пластичность и вязкость в конструкционные расчеты не входят и являются качественными показателями.

Пластичность показывает способность металла к перераспределению напряжений в зонах концентрации (пиков). Пластическая деформация как бы предохраняет металл от резких локальных перегрузок вблизи концентраторов напряжений.

Широко принятым критерием работоспособности металлических сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом. При этом сложность представляет выбор необходимого уровня вязкости и вида образцов для ее оценки. В разных странах принят различный гарантированный уровень ударной вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, определенная на образцах типа Шарли размером 10 х 10 х 55 мм с надрезом радиусом 0,25 мм, составляет КСУ> 0,30 МДж/м 2 .

Надежность конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению. Поэтому для таких изделий проводятся имитирующие циклические испытания стандартных образцов либо циклические стендовые испытания. База испытаний выбирается в зависимости от условий эксплуатации оборудования.

Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или охлаждению, испытывается на сопротивление термической усталости.

В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

При циклическом или длительном статическом нагружении номинальные эксплуатационные напряжения выбираются с введением коэффициентов запаса п а и п п по пределам длительной прочности и ползучести.

Коэффициенты Яд и л п обычно имеют значения в пределах 2,0-3,5.

Технологические свойства (литейные свойства у литейных сплавов; обрабатываемость давлением у деформируемых сплавов, обрабатываемость резанием, свариваемость) весьма важны и могут быть решающими при выборе материала для изготовления высококачественных изделий в производственных условиях. Например, нельзя изготовить литьем тонкостенные протяженные детали из сплава с низкой жидкотекучестью и плохой заполняемостью. Нельзя также изготавливать сварные конструкции из сталей с высоким содержанием углерода (высоким углеродным эквивалентом), так как в зоне сварного шва всегда будут образовываться сварные трещины.

При рассмотрении обрабатываемости материалов следует исходить из условий серийности изготавливаемого изделия и необходимости применения смягчающей термообработки. Так, при изготовлении изделий крупносерийного или массового производства следует ориентироваться на их механическую обработку с использованием станков с ЧПУ и обрабатывающих центров. В этом случае твердость обрабатываемых деталей должна быть невысокой (до 250 НВ). Для обеспечения низкой твердости для этих деталей может применяться предварительная термообработка: отжиг, нормализация, высокий отпуск.

Оценка свариваемости конструкционных материалов должна включать анализ уровня механических свойств сварного соединения и основного металла, определение склонности к образованию дефектов, прежде всего трещин в металле шва и зоне термического влияния, определение чувствительности сварного соединения к концентраторам напряжений и склонности к хрупкому разрушению. Для получения бездефектных равнопрочных сварных соединений, обладающих высоким сопротивлением хрупкому разрушению, необходима разработка специальной системы легирования сварного шва.

Приняты следующие термины, характеризующие свариваемость металлов: хорошая, удовлетворительная, ограниченная, неудовлетворительная. Хорошая свариваемость характерна для металлических материалов, не имеющих ограничений в проведении процесса сварки при температуре окружающей среды по массе и сложности конструкций. Такие материалы не требуют предварительного подогрева. При удовлетворительной свариваемости на морозе сварка не допускается и должна производиться при комнатной температуре. В сварных элементах должны отсутствовать жесткие стыки; для сложных узлов необходим предварительный сопутствующий подогрев; после сварки при большом объеме наплавленного металла необходим отпуск; при вваривании вкладышей рекомендуется проводить промежуточную термическую обработку. Ограниченная свариваемость подразумевает возможность сварки небольших деталей простой формы с подогревом до 300-400 °С и проведении отпуска после сварки; в случае жестких контуров температура подогрева должна быть увеличена до 600 °С. Неудовлетворительная свариваемость характерна для материалов, нуждающихся в отжиге перед сваркой; даже при сварке простых узлов их необходимо подогревать до температур более 450 °С с обязательным проведением высокого отпуска после сварки.

Выбранные материалы и технологии изготовления из них изделий обязательно должны быть привязаны к возможностям конкретного производства. Например, не следует ориентироваться на лазерную термообработку изделий массового производства, так как это окажется технически невыполнимым, а следует выбрать один из видов химико-термической обработки, который используется на предприятии - изготовителе изделий.

Важный этап выбора материала - оценка его стоимости и дефицитности. Выбранный материал должен быть по возможности дешевым, с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость изготовления из него деталей, а также эксплуатационную стойкость. Необходимо учитывать также наличие дефицитных составляющих материала. Например, в последние годы такие элементы в стали, как вольфрам, кобальт, никель являются дефицитными и их использование в качестве легирующих добавок в сталях должно быть ограничено. Однако в тех случаях, когда без них нельзя обеспечить необходимые служебные свойства, их применение оправдано (быстрорежущие стали, жаропрочные стали и сплавы).

Таким образом, основой при выборе материалов являются назначение и условия работы изделия или конструкции. При ЭТОМ КОНструктор опирается на опыт изготовления и эксплуатации изделий и конструкций данного профиля, уровень технологии производства и контроля, а также учитывает экономические соображения. При выборе материалов большую роль могут сыграть результаты стендовых и натурных испытаний изделий.

Использование при выборе материалов, ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях, вполне оправдано, но может привести, с одной стороны, к отказу от совершенствования конструкций и изделий, а с другой - к повторению уже сделанных ошибок.

материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой Конструкционные материалы стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали ), меди (бронзы и латуни ), свинца и олова.

При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к Конструкционные материалы , стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к Конструкционные материалы (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением Конструкционные материалы , обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы , сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы Конструкционные материалы , в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Например, металлические сплавы различают: по системам сплавов - алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения - закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу - стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.

Неметаллические Конструкционные материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Некоторые Конструкционные материалы , например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон , применяются в конструкциях машиностроения.

Технико-экономические параметры Конструкционные материалы включают: технологические параметры - обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

К металлическим Конструкционные материалы относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали , для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём Конструкционные материалы , используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности - от 200 до 3000 Мн/м 2 (20-300 кгс/мм 2 ), пластичность сталей достигает 80%, вязкость - 3 МДж/м 2 . Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше. Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м 2 (чугаль) до 1350 Мн/м 2 (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 °С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах . Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 Мн/м 2 , литейных до 550 Мн/м 2 , по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м 2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м 2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

К Конструкционные материалы относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных отраслях техники (см. Бериллиевые сплавы , Медноникелевые сплавы , Молибденовые сплавы ).

Неметаллические Конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры ), керамику , огнеупоры , стекла , резины , древесину . Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов , армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы - полистирол , полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционные материалы , стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы , сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

Т. к. в составе Конструкционные материалы нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств Конструкционные материалы связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс композиционных Конструкционные материалы В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные Конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20-50%.

Наряду с созданием композиционных Конструкционные материалы , имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путём повышения качества Конструкционные материалы является регламентация структуры традиционных Конструкционные материалы Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных Конструкционные материалы является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических Конструкционные материалы Так, ориентация линейных макромолекул полимерных материалов (ориентация стекол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.

При синтезировании композиционных Конструкционные материалы , создании сплавов и материалов с ориентированной структурой используются достижения материаловедения.

Лит.: Киселев Б. А., Стеклопластики, М., 1961; Конструкционные материалы, т. 1- 3, М., 1963-65; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова и К. И. Портного, М., 1967; Конструкционные свойства пластмасс, пер. с англ., М., 1967; Резина - конструкционный материал современного машиностроения. Сб. ст., М., 1967; Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник, под ред. И. В. Кудрявцева, т. 1-5, М., 1967-69; Химушин Ф. Ф., Жаропрочные стали и сплавы, 2 изд., М., 1969; Современные композиционные материалы, пер. с англ., М., 1970; Алюминиевые сплавы. Сб. ст., т. 1-6, М., 1963-69.

А. Т. Туманов, Н. С. Скляров.

Статья про слово "Конструкционные материалы " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 49541 раз

Новые уловки телефонных мошенников, на которые может попасться каждый

Конструкционные материалы

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ - основные виды материалов, из которых изготовляются машины, оборудование, приборы, сооружаются каркасы зданий, мосты и другие конструкции и которые несут основную силовую нагрузку при их эксплуатации.

Конструкционные материалы классифицируются по широкому кругу признаков: по применяемости - в машиностроении, в строительстве; по природе образования - металлические, неметаллические, композиционные; по реакции на внешние воздействия - горючие, коррозионно-устойчивые, жаростойкие, хладостойкие; по свойствам, проявляемым при различных методах обработки,- пластичные, тугоплавкие, свариваемые, склонные к образованию трещин, закаливаемые и т. д.; по способам получения - сплавы, прессованные, катаные, тканые, формованные, пленки.

Важными показателями конструкционных материалов являются их прочностные качества - сопротивление сжатию, растяжению, работа на изгиб, выносливость при вибрационных нагрузках, а также ряд специальных свойств, учитываемых при проектировании машин, оборудования, строительных сооружений. Среди них - легкость при определенных прочностных качествах, сопротивляемость износу, электро- и теплопроводность, способность пропускать газы и др.

При выборе конструкционных материалов в процессе проектирования изделий используются их технико-экономические параметры - стоимость, коэффициент использования и трудоемкость в разных условиях обработки и т. п. В современных условиях, когда на первый план выдвинута задача кардинального повышения технического уровня и качества продукции, особенно машин и оборудования, всемерной экономии материальных ресурсов, внедрения ресурсосберегающих технологий, снижения массы конструкций при повышении их надежности, требования к качественным показателям конструкционные материалы резко возросли и усложнились.

Например, необходимы конструкционные материалы легкие и в то же время жаропрочные, сохраняющие прочность как при высоких, так и при низких температурах, пластичные и хорошо выдерживающие ударные нагрузки и т. п. Такие требования обусловили появление ряда новых конструкционных материалов. Перспективными являются сплавы на основе алюминия, титана и особенно магния.

С повышением требований к прочностным свойствам, а также к сохранению этих свойств в различных экстремальных условиях связано новое направление получения конструкционных материалов, а именно синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств - предельно прочные, тугоплавкие, термостабильные и т. д. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются различные волокна, нити, проволоки, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвердые и тугоплавкие соединения, окислы, карбиды, которые составляют либо армировку, либо наполнитель композиционного конструкционного материала.

Подобные конструкционные материалы по определенным показателям могут превышать все известные исходные материалы. Новые прочностные качества конструкционных материалов получаются путем специальной обработки металлов, газотермического напыления металлических порошков и др.

Научно-технический прогресс в машиностроении и строительстве требует дальнейшего улучшения качества всех видов конструкционных материалов и развития технологии их обработки. XXVII съезд КПСС подчеркнул необходимость улучшить структуру и качество конструкционных материалов, исходя из задач создания новой, прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в развитии экономики.

Предусматривается ускоренное развитие производства экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов, расширение номенклатуры продукции, улучшение технико-экономических и повышение прочностных и антикоррозийных характеристик конструкционных материалов. Решение этой задачи имеет особенно важное значение в связи с растущим влиянием конструкционных материалов на ускорение научно-технического прогресса.

Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные икомпозиционные, металлические и неметаллические (Рисунок 6.1).

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами. Разнообразие состава типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обуславливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойств. Сплавы на основе железа называютсячерными , на основе других металловцветными .

Неметаллические материалы – неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика и т.д.

Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Композиционные материалы – гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.

При этом:

материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела);

один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим.

В приборостроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные и клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в приборостроении постоянно увеличивается.

Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления.

Применение порошковых материалов определяется необходимостью изготовления изделий с особыми свойствами и структурой, которые недостижимы другими методами производства, либо изделий с обычным составом, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства.

Свойства конструкционных материалов подразделяются на:

механические;

технологические;

эксплуатационные.

К механическим свойствам относятся:

прочность;

упругость;

пластичность;

твердость;

ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и долговечность конструкции.

Прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются.

Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения S 0 и рабочей (расчетной) длиной l о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузкаP– удлинение ∆lобразца (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:

упругой деформации – до нагрузки Р упр;

равномерной пластической деформации от Р упр до Р мах;

и сосредоточенной пластической деформации от Р мах до Р к.

Если образец нагрузить в пределах Р упр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится.

Закон Гука для линейного участка диаграммы: σ = Е ε, где Е – называется модулем упругости или модулем Юнга. Е имеет размерность кг/см 2 и является одной из физических констант материала. Модуль упругости при растяжении численно равен тангенсу угла наклона диаграммы напряжений к оси абсцисс.

Между относительной поперечной деформацией и относительной продольной деформацией при простом растяжении и сжатии в пределах применимости закона Гука существует постоянное соотношение, абсолютная величина которого называется коэффициентом Пуассона μ = ε 1 /ε – безразмерная величина и для всех изотропных материалов лежит в пределах 0 – 0,5 (0 для пробки, 0,5 для каучука, для стали 0,3).

При нагружении образца более Р упр появляетсяостаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называетсянаклепом .

При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Р мах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается отР мах до Р к, и при нагрузке Р к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая ∆l ост остается.

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением . Размерность напряжения МПа.

Пользуясь указанными характеристиками, и зная площадь сечения образца S 0 , определяют основные характеристики прочности материала:

σ пц = Р пц /S 0 - предел пропорциональности; σ уп = Р уп /S 0 - предел упругости; σ т = Р т /S 0 - предел текучести; σ в = Р мах /S 0 - предел прочности или временной сопротивление; σ к = Р к /S 0 - напряжение в момент разрыва.

Поскольку диаграмма растяжения металлов характеризует не только свойства металлов, но и размеры образца, то ее принято перестраивать в относительных координатах σ – ε, такая диаграмма называется диаграммой напряжений.

Пластичность характеризуется относительным удлинениеми относительным сужением:

где l 0 ,S 0 - начальные длина и площадь поперечного сечения образца;l k ,S k - конечная длина и площадь в месте разрыва.

Допустимые значения напряжений в расчетах выбирают меньше в 1,5 - 2,5 раза.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методыопределения твердости Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на Рисунке 3.4.

Рисунок 6.3 – Схема определения твердости материала по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром Д = 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность под определенной нагрузкой наконечника в виде шарика или алмазного конуса. Для мягких материалов (до НВ 230) используется стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р 0 (100 н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечникаhпод нагрузкойP.

Твердость по Виккерсу определяется по величине отпечатка индентора: алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136 o .

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки Р к площади поверхности отпечатка.

Нагрузка Р составляет 50…1000 н. Диагональ отпечатка dизмеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв. Метод обеспечивает высокую точность при высокой чувствительности.

Способ микротвердости – используется для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливанииPсоставляют 5…500 н.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах. Испытуемые образцы имеют надрезы определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. Ее определяют по ГОСТ как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра: КС = К/S, где К - работа разрушения;S- площадь поперечного сечения образца в месте концентратора. Измеряется в МДж/м 2 .ОбозначаютKCU,KCV,KCT,U,V,T- вид концентратора (U,V- образный; Т - трещина усталости).

Технологические свойства конструкционных материалов.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

литейные свойства;

деформируемость;

свариваемость;

обрабатываемость режущим инструментом.

Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы (жидкотекучесть), степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки (ликвация), а также величиной усадки – сокращением линейных размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Способность материала к обработке давлением – это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь (обработка без снятия стружки). Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

Свариваемость – это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества при сварке. Свойство оценивается по качеству сварного шва.

Обрабатываемость резанием – характеризует способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное производство, предъявляет к технологическим свойствам материала особые требования: проведение сварки на больших скоростях, ускоренное охлаждение отливок, обработка резанием на повышенных режимах и т. п. при обеспечении необходимого условия – высокого качества получаемой продукции.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях:

износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;

коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;

жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;

жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость при высоких температурах;

хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;

антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий. При выборе материала для создания конструкции необходимо учитывать конструкционные, технологические и эксплуатационные свойства.

Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью.

Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др. Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо, сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.

При конструировании самолетов от конструкционных материалов потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах.

С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах, а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С, выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах (см. Плазмотрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология). Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами, применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы, полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и радиооборудования и др.

Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колес самолетов и автомобилей.

Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы летательных аппаратов используются многослойные конструкции, отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и термической обработки.

В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50- 100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.