Введення
Конструкційні матеріали, матеріали, з яких виготовляються деталі конструкцій (машин і споруд), що сприймають силове навантаження. Визначальними параметрами Конструкційні матеріали, є механічні властивості, що відрізняє їх від інших технічних матеріалів (оптичних, ізоляційних, мастильних, лакофарбових, декоративних, абразивних та ін.) До основних критеріїв якості Конструкційні матеріали, відносяться параметри опору зовнішнім навантаженням: міцність, в'язкість, надійність, ресурс і ін Тривалий період у своєму розвитку людське суспільство використовувало для своїх потреб (знаряддя праці та полювання, начиння, прикраси та ін) обмежене коло матеріалів : дерево, камінь, волокна рослинного і тваринного походження, обпалену глину, скло, бронзу, залізо. Промисловий переворот 18 ст. і подальший розвиток техніки, особливо створення парових машин і поява в кінці 19 ст. двигунів внутрішнього згоряння, електричних машин та автомобілів, ускладнили і диференціювали вимоги до матеріалів їх деталей, які стали працювати при складних знакозмінних навантаженнях, підвищених температурах та ін Основою Конструкційні матеріали, стали металеві сплави на основі заліза (чавуни і сталі), міді (бронзи і латуні), свинцю і олова.
При конструюванні літаків, коли головною вимогою, що пред'являються до Конструкційні матеріали, стала висока питома міцність, широке розповсюдження отримали деревні пластики (фанера), малолегованої сталі, алюмінієві і магнієві сплави. Подальший розвиток авіаційної техніки зажадало створення нових жароміцних сплавів на нікелевій і кобальтової засадах, сталей, титанових, алюмінієвих, магнієвих сплавів, придатних для тривалої роботи при високих температурах. Удосконалення техніки на кожному етапі розвитку подавала нових, безперервно ускладнюються вимоги до Конструкційні матеріали, (температурна стійкість, зносостійкість, електрична провідність і ін.) Наприклад, суднобудуванню необхідні сталі і сплави з гарну зварюваність і високою корозійною стійкістю, а хімічному машинобудуванню - з високою і тривалою стійкістю в агресивних середовищах. Розвиток атомної енергетики пов'язано із застосуванням Конструкційні матеріали, що володіють не тільки достатньою міцністю і високою корозійною стійкістю в різних теплоносіях, але і задовольняють нову вимогу - малому поперечному перерізу захоплення нейтронів.
Загальні відомості про конструкційних матеріалах
Конструкційні матеріали, поділяються: за природою матеріалів - на металеві, неметалеві і композиційні матеріали, що поєднують позитивні властивості тих і інших матеріалів; з технологічного виконання - на деформовані (прокат, поковки, штампування, пресовані профілі та ін), литі, спікається, формовані, що склеюються, зварюються (плавленням, вибухом, дифузійним зрощенням і т.п.); за умовами роботи - на працюючі при низьких температурах, жароміцні, корозійно-, окалино-, зносо-, паливо-, маслостойкие і т.д.; за критеріями міцності - на матеріали малої і середньої міцності з великим запасом пластичності, високоміцні з помірним запасом пластичності.
Окремі класи Конструкційні матеріали, в свою чергу, діляться на численні групи. Наприклад, металічні сплави розрізняють: по системах сплавів - алюмінієві, магнієві, титанові, мідні, нікелеві, молібденові, ніобієві, берилієві, вольфрамові, на залізній основі і ін; за типами зміцнення - закаливающее, покращувані, старіючі, Цементовані, ціаніруемие, азотіруемие та ін; по структурному складу - стали аустенітні і ферритні, латуні і т.д.
Неметалічні Конструкційні матеріали, поділяють за ізомерному складу, технологічного виконання (пресовані, ткані, намотані, формовані й ін), за типами наповнювачів (армуючих елементів) і за характером їх розміщення та орієнтації. Деякі Конструкційні матеріали, наприклад сталь та алюмінієві сплави, використовуються як будівельні матеріали і, навпаки, у ряді випадків будівельні матеріали, наприклад залізобетон, застосовуються в конструкціях машинобудування.
Техніко-економічні параметри Конструкційні матеріали, включають: технологічні параметри - оброблюваність металів тиском, різанням, ливарні властивості (жидкотекучесть, схильність до утворення гарячих тріщин при литті), зварюваність, паяемости, швидкість затвердіння і плинність полімерних матеріалів при нормальних і підвищених температурах та ін ; показники економічної ефективності (вартість, трудомісткість, дефіцитність, коефіцієнт використання металу і т.п.).
Приклади конструкційних матеріалів, застосовуваних у суднобудуванні
Магналії
Сплави Al - Mg. Сплави алюміній з магнієм мають низькі ливарні властивості, так як не містять евтектики. Характерною рисою цих сплавів є гарна корозійна стійкість, підвищені механічні властивості та оброблюваність різанням. Магналії також добре стійкі до впливу азотної кислоти HNO3, розведеної сірчаної кислоти H2SO4, ортофосфорної кислоти H3PO4, а також у середовищах, що містять SO2 (сплави АЛ8, АЛ27, АЛ13 і АЛ22). Додавання до сплавів модифікуючих присадок (Ti, Zr) покращує механічні властивості, а берилію зменшує окислюваність розплаву, що дозволяє вести плавку без захисних флюсів.
Ці сплави призначені для відливок, що працюють у вологій атмосфері, наприклад в суднобудуванні й авіації. Додавання до сплавів Al - Mg кремнію покращує ливарні властивості в результаті утворення потрійний евтектики.
Мідно-нікелеві сплави
Мідно-нікелеві сплави, сплави на основі міді, що містять нікель у якості головного легуючого елемента. Нікель утворює з міддю безперервний ряд твердих розчинів. При додаванні нікелю до міді зростають її міцність і електроопір, знижується температурний коефіцієнт електроопору, сильно підвищується стійкість проти корозії. Мідно-нікелеві сплави добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані - з них отримують листи, стрічки, дріт, прутки, труби, штампують різні вироби. Мідно-нікелеві сплави поділяють на конструкційні та електротехнічні. Конструкційні мідно-нікелеві сплави відрізняються високою корозійною стійкістю і красивим сріблястим кольором; до них відносяться мельхіор і нейзильбер. Електротехнічні мідно-нікелеві сплави мають високу електроопір і високу термоЕРС в парі з іншими металами. Їх застосовують для виготовлення резисторів, реостатів, термопар. До електротехнічним мідно-нікелеві сплави відносяться константан, копель та інші сплави. Завдяки різноманітним цінним властивостям мідно-нікелеві сплави, незважаючи на дефіцитність нікелю, знаходять широке застосування в електротехніці, суднобудуванні, для виробництва посуду, художніх виробів масового споживання, в медичній промисловості, пірометрії.
Латуні
Латунями називають подвійні чи багатокомпонентні сплави на основі міді, в яких основним легирующим елементом є цинк.
Подвійні латуні нерідко легують Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb і іншими елементами. Такі латуні називають спеціальними або багатокомпонентними. Введення легуючих елементів (крім нікелю) зменшує розчинність цинку в міді. Нікель збільшує розчинність цинку в міді. Легуючі елементи збільшують міцність, але зменшують пластичність латуні.
Свинець полегшує оброблюваність різанням і покращує антифрикційні властивості. Опір корозії підвищують Al, Zn, Si, Mn та Ni.
Латуні в наклепанной стані або з високими залишковими напруженнями і містять понад 20% Zn схильні до корозійному («сезонному») розтріскування в присутності вологи, кисню, аміаку. Для запобігання розтріскування напівфабрикати з латуні зазначених складів отжигают при 250 - 650 º С, а вироби з латуні - при 250 - 270 º С.
Всі латуні за технологічною ознакою поділяють на дві групи: деформовані, з яких виготовляють листи, стрічки, труби, дріт та інші напівфабрикати, і ливарні - для фасонного лиття.
Ливарні латуні мають гарну плинність, мало схильні до ліквації і володіють антифрикційними властивостями.
Коли потрібно висока пластичність, підвищена теплопровідність і важлива відсутність схильності до корозійного розтріскування, застосовують латуні з високим вмістом міді. Латуні з великим вмістом цинку мають більш високу міцність, краще обробляються різанням, але гірше пручаються корозії.
Деформуємі латуні володіють високими корозійні властивості в атмосферних умовах, прісній і морській воді і застосовуються для деталей у суднобудуванні. Більш високу стійкість в морській воді володіють латуні, леговані оловом, що отримали назву морських латуней.
Латуні, призначені для фасонного лиття, від яких потрібна підвищена міцність, містять велику кількість спеціальних присадок, що поліпшують їх ливарні властивості. Ці латуні відрізняються кращою корозійною стійкістю.
Антифрикційні (підшипникові) сплави на олов'яної та свинцевою основі
Ці сплави застосовують для заливання вкладишів підшипників ковзання. Вони повинні мати достатню твердість, але не дуже високу, порівняно легко деформуватися під впливом місцевих напружень, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником.
Крім того, температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою, і сплави повинні мати гарну теплопровідність і стійкістю до корозії.
Олов'яні та свинцеві бабіти. Олов'яні бабіти використовують в підшипниках турбін великих суднових дизелів, турбонасосу, турбокомпресорів, електричних та інших важконавантажених машин. Свинцеві бабіти застосовують для менш навантажених підшипників.
Мартенситностаріючі високоміцні сталі
Мартенситностаріючі стали є сплави заліза з нікелем (8 - 20%), а часто і з кобальтом. Для протікання процесу старіння в мартенсит сплави додатково легують Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.
Нікель і кобальт сприяють зміцненню при старінні і одночасно підвищують опір крихкому руйнуванню.
Хром зміцнює мартенсит сталей Fe - Ni - Ti і Fe - Ni - Al при старінні підвищує опір корозії.
Мартенситностаріючі сталі застосовують в авіаційній промисловості, в ракетній техніці, в суднобудуванні, в приладобудуванні, у приладобудуванні для пружних елементів, у кріогенній техніці.
Зносостійкі стали
Для деталей, що працюють на знос в умовах абразивного тертя і високих тисків і ударів, застосовують високомарганцевую литу аустенітних сталь 110Г13Л, що містить 0.9-1.3% С і 11,5-14.5% Mn. Вона володіє наступними механічними властивостями: s0.2 = 250 ¸ 350МПа, sв = 800 ¸ 1000МПа, d = 35 ¸ 45%, y = 40 ¸ 50%.
Сталь 110Г13Л має високу зносостійкість тільки при ударних навантаженнях. При невеликих ударних навантаженнях разом з абразивним зношуванням або при чистому абразивному зношуванні мартенситне перетворення не протікає і зносостійкість сталі 110Г13Л невисока.
Для виготовлення лопатей гідротурбін і гідронасосів, суднових гребних гвинтів та інших деталей, що працюють в умовах зношування при кавітаційної ерозії, застосовують сталі з нестабільним аустенітом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 і 0Х14Г12М, що зазнають при експлуатації часткове мартенситне перетворення.
Поропласти
Поропласти - губчасті матеріали з откритопорістой структурою, внаслідок чого присутні в них газоподібні включення вільно повідомляються один з одним і з навколишнім атмосферою.
Пінопласти отримали найбільш широке застосування. Замкнуто-чарункова структура забезпечує хорошу плавучість і високі теплоізоляційні властивості. Механічна щільність пінопластів невисока і залежить від щільності матеріалу. Пінопласти застосовують для теплоізоляції кабін, контейнерів, приладів, рефрижераторів, труб і т. д. Широке застосування пінопласти одержали у будівництві і при виробництві труднозатопляемих виробів. Використовуються в авіабудуванні, суднобудуванні, на залізничному транспорті і т. д.
Сотопласти виготовляють з тонких листових матеріалів. Матеріалом для сотопластов служать тканини (скляні, кремнеземні, вугільні). Сотопласти мають досить високі теплоізоляційні властивості. Вони служать легенями заповнювачами багатошарових панелей, застосовуваних в авіа-і суднобудуванні для несучих конструкцій; при створенні зовнішньої теплозахисту і теплоізоляції космічних кораблів; в антенних обтічниках літаків і ін
Висновок
Конструкційні матеріали поступово займає все більше місце в нашому житті. Вже досить важко уявити сучасне суднобудування без конструкційних матеріалів. Області застосування конструкційних матеріалів численні: авіаційно-космічна, ракетна, енергетичне турбобудування, в автомобільній і гірничорудної, металургійної промисловості, в будівництві і т.д. Діапазон застосування цих матеріалів збільшується з кожним днем і обіцяє ще багато цікавого. Можна з упевненістю сказати, що це матеріали майбутнього.
Список літератури
1. С. М. Колесов, І. С. Колесов. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. М.: Вища школа, 2004.
2. Б. Н. Арзамас, В. І. Макарова. Матеріалознавство. М.: МГТУ імені Н.Е. Баумана, 2004.
3. Ю.М. Лахтін, В.П. Леонтьєва. Матеріалознавство. М.: Машинобудування, 1990.
4. Сушков А.І. Металургія алюмінію. М.: Металургія, 1971.
5. Бєляєв А.І. Металургія легких металів. М.: Металургія, 1978.
6. П. Крока Л. Броуман, пров. з англ. Сучасні композиційні матеріали. М.: 1978.