Конструкционные материалы

Лекция 3

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливают детали конструкций (машин, сооружений), воспринимающих силовые нагрузки (статические, знакопеременные, вибрационные и др.). В приборостроении эти материалы применяются в корпусных узлах, деталях исполнительных механизмов, подложках, и корпусах электронных приборов.

Определяющими параметрами констр. материалов являются механические свойства, что их отличает от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, абразивных и др.). К основным критериям качества констр. материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам 6 прочность, вязкость, надёжность, ресурс и др.

Исторически основой констр. материалов стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца, олова.

Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к констр. материалам, в частности требования по жаростойкости, износостойкости, эл. проводимости и др.).

Констр. материалы подразделяются:

– по природе материалов – металлические, неметаллические и композиционные, 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 др.);

– по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно–, окалино–, износо–, топливо–, масло–стойкие и т.д.;

– по критериям прочности – на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности и высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы констр. материалов, в свою очередь подразделяют на многочисленные группы.

Например, металлические сплавы различают:

– по системам сплавов – алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, берилиевые, 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, тканные, формованные, намотанные и пр.);

– по типам наполнителей (армирующих элементов);

– по характеру их размещения и ориентации.

Существуют также технико–экономические параметры констр. материалов:

– технологические параметры – обрабатываемость металла 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.

– Немало важны показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефецитность,коэффициент использования металла и т. д.).

К металлическим констр. материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём констр. материалов используемых техникой. Они отличаются большим диапазоном прочности – от 200 до 3000 Мн/м2 (20–300 кгс/мм2), пластичность сталей достигает 80%. Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей вн. Сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200°.С в окислительных средах и др. Прочность чугунов колеблется в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2 до 1350 Мн/м2 (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 ч. Выплавляются в вакуумно-индукционных печах, а также в плазменных и электронно-лучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах и др.

Прочность алюминиевых сплавов составляет: демпфируемых до 750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2, 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/м2 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 1600Мн/м2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтехимической промышленности, медицинских инструментов и др.

К констр. материалам относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных областях техники.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы, 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, самолетов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах.

Резины на основе различных каучуков, упрочненные 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 К. м., 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 объемов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы К. м,, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

Композиционные материалы.. Т. к. в составе конструкционных материалов(к.м.) нашли свое применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путем сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств

к. м. связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например, предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс – композиционне 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 К. м. 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 материалов, имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путем повышения качества К. м. является регламентация структуры традиционных К. м. 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. Еще более прогрессивным методом создания ортотротопных К. м. является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических констр. материалах. Так ориентация линейных полимерных макромолекул полимерных материалов (ориентация стёкол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.

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

Дата добавления: 2015-07-25