Определение конструкционных материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     Содержание

 

1.Введение.....................................................................................4       

2.Определение конструкционных  материалов......................4

3. Классификация конструкционных материалов................5

4.    Металлы и их сплавы...........................................................6

4.1  Чугуны ………....…...…..........................................................6

4.1.1Серый чугун. ...................….……….…………………….....7

4.1.2 Высокопрочный чугун………………………………….….7

4.1.3 Ковкий чугун…………………………………………..…....7

4.2 Стали……………………………….…………………..……..7

4.2.1. Углеродистые  стали  обыкновенного  качества…...…….8

4.2.2. Легированные  стали……………………...……..…………8

4.2.3 Инструментальные  стали ………………...…………....…. 8

4.2.4Быстрорежущие  стали……………………...…….………...8

4.2.5 Коррозионно-стойкие стали. ……………....……………....8

4.2.6 Холодостойкие стали……………………....……………….9

4.2.7 Жаропрочные стали………………………...…...………….9

4.3 Цветные металлы и сплавы……………...…...………….9

4.3.1Медь…..……………………………...……....………………9

4.3.2 Латунь………………………………..……...………………9

4.3.3 Бронза…………………………………..…………………....10

4.3.4 Алюминиевые сплавы………………….…………………..10

4.3.5 Дюралюминий………………………………………………10

4.3.6 Магний………………………………………………………10

4.3.7 Титан………………………………………….....…………..10

5.Новые конструкционные материалы…………..…………..11

5.1. Аморфные металлические  сплавы.........................................12

5.2 Композиционные материалы……………………….………..12

5.3 Конструкционные металлокерамики………………….…...13

6.Неметаллы……………………………………………..………13

6.1 Конструкционный текстолит………………………..………..14

6.2 Материалы из асбеста................................................................14

6.3 Лакокрасочные материалы……………………………..……..15

6.4 Клеящие материалы……………………………………….…..15 

7. Классификация свойств  конструкционных материалов..........15

8.Заключение………………………………………………....…..18

9.Список использованной литературы..................................19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Научно-технический прогресс в авиа и машиностроении неразрывно связан с созданием новых конструкционных материалов. Революционную роль в авиастроении и ракетостроении сыграли новые конструкционные материалы. Для повышения качества , надежности и экономичности изделий при снижении их материалоемкости, разрабатываются высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозионная стойкость, тепло и хладостойкость сплавов и материалов. В связи с этим расширяется производство новых материалов с заданным комплексом свойств.

Рассмотренные в докладе конструкционные  материалы предназначены для  изготовления  деталей машин и  приборов в различных отраслях. В  докладе приведены основные группы  конструкционных материалов с указанием  их  свойств, что позволит на научно-технической основе выбирать материалы и назначать рационально технологические процессы их обработки

 

2.Определение конструкционных  материалов.

 

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.)

 

 

 

 

 

 

 

3.Классификация конструкционных  материалов

А) Металлические материалы, к которым относятся:

• сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;
• стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
• цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
• композиционные материалы с металлической матрицей;

Б) Неметаллические материалы:

• полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
• композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);
• неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

В) Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

Кроме того, возможна классификация  конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации.

Универсальные материалы  рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.

В соответствии с выбранным принципом классификации  все конструкционные материалы  подразделяют на следующие группы:

• материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
• материалы с особыми технологическими свойствами;
• износостойкие материалы;
• материалы с высокими упругими свойствами;
• материалы с малой плотностью;
• материалы с высокой удельной прочностью;
• материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.

4.Металлы   и  их  сплавы.

     Все   машиностроительные   материалы   можно  разделить  на  металлы   и неметаллы. В свою очередь,  металлы  делятся  на черные  и цветные. 

      Черные  металлы  включают  стали   и   чугуны, т. е. сплавы  железа  « Fe»  с углеродом  «С» и другими химическими элементами.

      Машиностроительные  материалы имеют маркировку, по  которой с помощью справочников  квалифицированные рабочие, инженеры  и техники могут  определить  химический состав материала,  а также различные  его свойства.       

                                            

4.1 Чугуны.

  Чугуном   называется  сплав железа с  углеродом   и  другими  компонентами. Чугун  содержит боле  2% углерода,   сталь -менее 2%  углерода.  Различают   серый, высокопрочный  и   ковкий  чугун.

 

 

4.1.1 Серый     чугун.    

Маркируют   буквами  СЧ,  обозначающими его назначение, и двумя  цифрами, обозначающими  предел  прочности  при растяжении. 

   Например, СЧ_18-серый   чугун,  предел  прочности при  растяжении  180  М Па.     

 

4.1.2 Высокопрочный  чугун.

 Получают  введением   в жидкий  серый  чугун   магния «0,3-1%» или его сплава  с никелем, медью,  алюминием   или кремнием.

Высокопрочный чугун  маркируют  буквами  ВЧ, обозначающим   его  название, и двумя  группами цифр,  из которых  первая  обозначает предел  прочности при растяжении, а вторая -  относительное удлинение.  Например,  ВЧ 45-5-высокопрочный чугун, предел  прочности при растяжении  450  МПа, относительное удлинение 5%.

4.1.3 Ковкий  чугун.

Условное  название  пластичного, вязкого   чугуна  и  маркируется  буквами  КЧ,  обозначающими  его название, и двумя  группами цифр, из  которых первая  обозначает  предел прочности  при  растяжении, а   вторая – относительное удлинение.

Например, КЧ 50-4-ковкий чугун, предел  прочности  при растяжении  500МПа. Относительное удлинение 4%.

 

4.2 Стали

Сталью  называется сплав  железа с углеродом  содержит  менее 2% углерода.   Большое  влияние  на обрабатываемость  сталей  оказывает  их химический  состав. С  увеличением  содержания  углерода  повышается механическая прочность стали и, как следствие, возрастает  ее сопротивление  резанию. При обработке сталей с  малым содержанием  углерода (0,1- 0,25%) получают  большую шероховатость поверхности. 

 

4.2.1Углеродистые  стали обыкновенного качества.

Обозначаются  буквами  Ст  и числами  от 0 до 6  (например ,сталь  Ст3). Чем  больше  число  в обозначении марки стали,  тем выше содержание  углерода. Качественные  углеродистые  стали обозначают  числами  08; 10; 15; 20; 25;  и т.д., которые  показывают  среднее  содержание углерода  в стали в сотых долях процента.  Например, содержание  углерода в стали  15 около 0,15%.

4.2.2 Легированные  стали.

 Выплавляются  качественными,  высококачественными и особо   высококачественными. В  маркировках  последних  в конце марки ставится  буква А или Ш  соответственно. Буква А в конце обозначает,что сталь высококачественная. Легированные  стали маркируются, например, так:                                                      45ХН, Х12М. Числа  в начале марки обозначают  содержание углерода в сотых или десятых  долях процента, числа после буквы указывают на  содержание  легирующих  элементов в процентах;  если  число  отсутствует – содержание элемента до 1%.

4.2.3 Инструментальные  стали.

К  ним  относятся  углеродистые.  легированные  и быстрорежущие стали. Инструментальные стали применяются  для  изготовления  корпусной  и   крепежно- присоединитльной  частей  режущих  инструментов ( державки резцов, корпуса  фрез, хвостовики  сверл  и др.).

4.2.4  Быстрорежущие  стали.

Особую  группу  составляют  быстрорежущие  стали, содержащие от 6 до 18% вольфрама.Быстрорежущие стали  отличаются  высокой  теплостойкостью (до 700 С), что  позволяет вести  обработку с высокими   скоростями резания.                                             

   4.2.5 Коррозионно-стойкие стали.

Предназначены  для  работы  в средах  различной  агрессивности.Детали из этих сталей  работают  на открытом воздухе , в  пресной  воде, во влажном  паре и  в растворах  солей  при 20С.

      

4.2.6  Холодостойкие стали.

Должны сохранять свои  свойства  при температурах  - 40- 80С. Наибольшее  применение имеют  следующие  стали: 18Х2Н4ВА,  12ХН3А  и др.

4.2.7 Жаропрочные стали.

Способны   противостоять   механическим  нагрузкам  при  высоких  температурах  (40- 850 С). Стали 12Х8ВФ, 15Х11Мф и другие  применяют для изготовления  агрегатов нефтезаводов, труб, печей, лопаток паровых турбин, клапанов, пароперегревателей, трубопроводов высокого давления , работающих при температурах  до 580С.

 

4.3 Цветные металлы  и сплавы

 

4.3.1 Медь

Метал красного (светло –  розового) цвета имеет кубическую  кристаллическую решетку;  не имеет  аллотропических превращений .Широкое  применение  меди обусловлено рядом  ее ценных  свойств и прежде всего  высокой  электро – и теплопроводимостью, пластичностью ,хорошей коррозионной  стойкостью, хорошей  жидкотекучестью  и др.   

К  сплавам  на  медной  основе  относятся: 

Латуни- сплавы меди с  цинком;

Бронзы- все другие  медные  сплавы. 

 

4.3.2 Латунь.

По сравнению  с  чистой медью латуни прочнее, пластичнее  и тверже.

По  ГОСТу  марки  латуни  обозначаются  буквой  Л числом, указывающим  долю  меди в сплаве. Например ,марка  Л62- латунь,  содержащая около  62% меди и 38%  цинка .  ЛАЖ60-  1 –1Л,  Л –латунь, А – алюминий  1%, Ж – железа 1%, 60 – 60% медь , все остальное цинк (60 + 1 + 1 =62) =38 %, Л- литейные свойства .Латуни могут быть легированы ; легирующие  элементы обозначаются    

Ж - железо,    Мц-  марганец,    Н – никель ,  О-  олово, К –кремний , С –свинец.   

 

4.3.3 Бронза.

Бронза-это  многокомпонентными  сплавами меди с  различными элементами  и бывают оловянистыми, алюминиевыми, кремнистыми,  свинцовыми,  никелевыми, бериллиевыми  и  др.  По ГОСТу  бронзы  маркируются  буквами  Бр, за которыми  следуют  буквы  условных  обозначений компонентов  и легирующих элементов, затем числами  указывается процентный состав компонентов.

4.3.4  Алюминиевые сплавы

Чаще  всего содержат  кремний, медь  или магний. Металл серебристого  цвета  с плотностью  2,7Мг/м  и температурой плавления 660 С.

Алюминий характеризуется  высокими  тепло – и  электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью  во многих  агрессивных  средах.  Способность алюминия  на воздухе покрываться прочной  оксидной  пленкой Аl₂О₃ ,  защищающей металл от дальнейшего  окисления. Алюминий  характеризуется высокой пластичностью, хорошо  обрабатываются давлением.

4.3.5 Дюралюминий .

Алюминий, легированный  медью, марганцем, магнием, называют дуралюмином; такие сплавы обозначают Д1---Д16.

Д – деформированные  сплавы.   

1 – порядковый  номер №. 

4.3.6 Магний .

Металл  серебристо –  белого  цвета.  Магний  используется главным образом  для получения  сплавов на его основе и легирования алюминиевых сплавов. Благодаря большой химической  активности к кислороду  магния применяют в качестве  раскислителя в производстве стали и цветных сплавов, а также для получения трудновосстанавливаемых    металлов (титана, циркония ,ванадия ,урана и др). Его используют также для получения высокопрочного  модифицированного  чугуна

4.3.7 Титан.

Металл  серебристого –белого  цвета с плотностью 4,5Мг/м³ и температурой  плавления 1672 С.

 

Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более  коррозионностойкий, чем нержавеющие  стали за счет  возникновения  оксидной пленки ТiО₂.

Титан обрабатывается  давлением  в холодном и горячем  состояниях, хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Сплавы отличаются  повышенной прочностью  при комнатной  и повышенных температурах , термически стабильны, обладают низкой   технологической  пластичностью, особенно при содержании алюминия более 5%.

5. Новые конструкционные материалы и область их применения

Появление новых конструкционных материалов и разработка технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов:

* для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);

* для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);

* для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);

* для станкоинструментальной промышленности;

* для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);

* строительные материалы.

 

 

5.1 Аморфные металлические сплавы

Аморфные металлические  сплавы являются принципиально новым классом металлических материалов,  обладающих уникальным комплексомэксплуатационных свойств (прочностных,  электрических,  магнитных, коррозионных),  значительно превышающих эти показатели у сплавов аналогичных составов, но находящихся в кристаллическом состоянии. Структура аморфных сплавов –  разупорядочная,  т.е.  с хаотическим расположением атомов, аналогичным реализующимся в жидкостях. К настоящему времени получено большое число аморфных сплавов на основе железа,  никеля,  титана,  меди,  алюминия,  как правило,  с аморфирующими добавками (P, Si, B, C  и др.)

 

5.2 Композиционные материалы

Композиционными называют материалы, в состав которых входят два (или более)  конструкционных элемента,  резко различающихся по свойствам и разделенных выраженной границей. Один из элементов называют матрицей,  а другой –  упрочнителем.  Как правило,  конструктивные элементы стараются выбирать так, чтобы их свойства дополняли друг друга (пластичная матрица и прочный, но хрупкий упрочнитель). По форме частиц упрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсно-упрочненные (с равноосными порошковыми частицами),волокнистые и слоистые. Из числа дисперсно-упрочненных композиционных материалов наибольшее распространение получили композиты на алюминиевой основе. Широко используются также коррозионно-стойкие композиты с матрицами из никеля либо титана,  упрочненные порошками карбидов (TiC,ZrC, Mo₂C), нитритов (TiN, NbN, TaN), силицидов (TiSi₂, MoSi₃) и др.

5.3 Конструкционные металлокерамики

Конструкционные металлокерамические  материалы получают методами формования   порошковых масс тугоплавких соединений металлов,  с последующим их обжигом. Материалами для изготовления металлокерамик служат соединения металлов IV – VI групп периодической системы с неметаллами.Эти материалы имеют очень высокую твердость,  тугоплавки,  имеют высокую коррозионную стойкость и сопротивление высокотемпературному окислению.  Все конструкционные керамики используют в качестве высокопрочных и жаростойких материалов в сверхзвуковой авиации,  космической и ракетной технике. Недостатком металлокерамик является высокая хрупкость.

6. Неметаллы

Происхождение неметаллических  материалов и связанные с ним условия их получения и переработки во многом определяют технико-экономические показатели и возможности их практического применения.

К природным неметаллическим материалам относится: древесина, хлопок, лен и другие растительные волокна, шерсть и шелк, натуральный каучук, шеллак, сырые кожи; ископаемые материалы- янтарь, копалы, асфальты, битумы, асбест, слюда, природные графиты и алмазы, различные горные породы(вулканит, пемза, базальт)

Искусственные неметаллические материалы, как правило, получают из природных  полимеров при  соответствующей их химической переработке. Наиболее распространенными представителями этой группы материалов являются : различные модификации  древесной и хлопковой целлюлозы, бумажные и текстильные материалы, пластмассы на основе сложных и простых эфиров целлюлозы ; продукты переработки животных и растительных тканей- хромовые и красно-дубные кожи, полимерные белковые соединения- казеин, столярный клей, пластмассы; продукты переработки минеральных ископаемых- силикатные вяжущие составы(цементы, бетоны, гипс), вермикулит.

Синтетические неметаллические материалы в большинстве случаев получают из более простых и индивидуальных соединений в процессе сложных химических, физико-химических или термохимических превращений.

6.1  Конструкционный текстолит

Конструкционный текстолит  представляет собой слоистый прессованный материал, состоящий из нескольких слоев хлопчатобумажной ткани, пропитанной  термореактивными смолами.

В зависимости от марок  текстолит находит различное  применение. Из текстолита изготавливается зубчатые колеса, втулки, подшипники скольжения, ролики, прокладки, панели вкладыши подшипников прокатных станов и другие изделия технического назначения. 

 

6.2 Материалы из асбеста

Асбестовые ткани применяют  в качестве теплоизоляционного  и прокладочного материала.Асбестовые ленты марки ЛАТ применяют для теплоизоляции трубопроводов и других элементов приборов и машин, работающих при температуре до 400’С.Асбестовый картон применяют в качестве огнезащитного, термоизоляционного материала, а также материала для уплотнения соединения приборов, аппаратуры и коммуникаций.

6.3 Лакокрасочные материалы

Лакокрасочные материалы по назначению разделяются на грунты ,шпаклевки, эмали  и лаки. Вспомогательными материалами  являются растворители, расжижители и смывки.

 Качество, долговечность и эстетический  вид  лакокрасочного покрытия  в решающей степени зависят  от правильно выбранной системы  лакокрасочного покрытия и технологии  ее исполнения, то есть подготовки  поверхности, метода нанесения и сушки.

 

 

  6.4 Клеящие материалы

Клеи разбиты по областям их преимущественного  применения в машиностроении на следующие  группы :

Например, клеи для склеивания металлов между собой и с неметаллическими материалами. Основой клеев с теплостойкостью до 80’С являются полиуретаны. Эпоксидные полимеры –составная часть клеев с теплостойкостью до 100-150’С. Фенолформальдегидные смолы, модифицированные синтетическими каучуками, термопластами- основа клеев с теплостойкостью до 200-350’С. Высокотеплостойкие до 700-1000’С клеи разработаны на основе кремний органических соединений.

 

 

  7.Классификация свойств  конструкционных материалов

 

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

• Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);
• Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);
• Упругость (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 (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).

 

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

• Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны);
• Плотность (масса единицы объема вещества);
• Температура плавления;
• Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);
• Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);
• Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);
• Магнитные (способность материала хорошо намагничиваться);
• Коэффициент объемного и линейного расширения.

 

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

• Литейные свойства (технологические свойства металлов, которые проявляются при заполнении литейной формы, кристаллизации отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства- жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.
• Ковкость (способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение,прессование, штамповка). Ковкость характеризуется двумя показателями — пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения, и сопротивлением деформации.
• Свариваемость (свойство металла или сочетание металлов при установленной технологии сварки образовывать соединения, отвечающие обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия требованиям.
• прокаливаемость ( глубина проникновения закаленной зоны, т.е. способность стали закаливаться на определенную глубину.
• Закаливаемость (это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки.

Г). Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.

Д). 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).

8. Заключение

   Решение важнейших   технических  проблем,  связанных   с  экономией  материалов, уменьшением  массы  машин  и приборов, повышением точности, надежности   и  работоспособности  механизмов  и  приборов  во  многом  зависит  от  разновидности конструкционных материалов.  Непрерывный  процесс  создания  новых  материалов  для  современной  техники  обогащает науку   о  материалах, которая  стимулирует  появление  новых  технических  идеи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.Список использованной литературы

1. Справочник конструктора-машиностроителя Том 1 Анурьев В.И. издательство ”Машиностроение” г.Москва ,1-й Басманный пер., д.3. 2001 год.
2. Конструкционные стали. Справочник . М.В.Приданцев, Л.Н.Давыдова, И.А.Тамарина. Издательство ”Металлургия” г.Москва , Г-34, 2-й Обыденский пер., д.14. 1980 год.
3. Конструкционные материалы. Справочник Б.Н.Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А.Буше и др. Издательство “Машиностроение” г.Москва Стромынский переулок д.4. 1990 год
4. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. В.М.Раскатов, В.С.Чуенокв, Н.Ф. Бессонова, Д.А. Вейс. Издательство ”Машиностроение” г.Москва ,1-й Басманный пер., д..3  1980 год.
5. Материалы в машиностроении. Конструкционная сталь том 2. Богданов Н.А.,Бурова Н.И.,Голуб Л.В.и др под редакцией И.В. Кудрявцева

     Издательство  ”Машиностроение” г.Москва ,1-й Басманный  пер., д.3

6. Материалы в машиностроении. Неметаллические материалы.  том 5. Анисимова И.В., Балкевич В.Л., Беккер Ю.И. и др. под редакцией И.В. Кудрявцева. Издательство ”Машиностроение” г.Москва ,1-й Басманный пер., д.3. 1969 год.