Конструкционные материалы: определение, характеристики и применение

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы — это материалы, отличающиеся повышенной конструкционной прочностьюРазличают металлические, неметаллические и композиционные конструкционные материалы. Металлические конструкционные материалы подразделяют:

  • по технологическому принципу (литейные, спеченные и др.);
  • по условиям эксплуатации (жаропрочные, криогенные и др.);
  • по составу (сплавы алюминия, титана и т. п.);
  • по структурному состоянию (стали аустенитные, ферритные и др.);
  • по типу упрочнения (дисперсионно-твердеющие, дисперсноупрочненные и др.).

К неметаллическим конструкционным материалам относят пластмассы, стекла, керамику, огнеупоры и др. К композиционным конструкционным материалам относят металлы и пластики, упрочненные волокнами и др.

1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Детали машин и конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров и в процессе эксплуатации подвергаются различным воздействиям. В связи с этим важным этапом разработки оптимального конструкторского решения изделия является выбор конструкционного материала, отвечающего определенным критериям.

Детали машин работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в заданных условиях эксплуатации.

Условия эксплуатации определяются рабочей средой (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная и др.), которая может негативно влиять на механические свойства материала. В результате химического и теплового воздействий она может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины и др. Для того, чтобы избежать отрицательного воздействия рабочей среды, материал должен обладать не только механическими, но и требуемыми физикохимическими свойствами (стойкостью к коррозии, жаростойкостью и т. д.). Температурный диапазон работы современных материалов достаточно широк, поэтому для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре — хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости, а также простоты изготовления деталей и конструкций. Они оцениваются технологичностью материала, определяемой хорошей обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также требуемой прокаливаемостью и отсутствием деформации и коробления при термической обработке. Технологичность материала определяет, в конечном итоге, производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел низкую стоимость, был доступным, но при этом обеспечивал сохранение или повышение эксплуатационных свойств деталей.

2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность материала — это комплексная характеристика, объединяющая критерии прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала зависят от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление σв и предел текучести σ0,2т)характеризующие сопротивление материала пластической деформации.

Если материал в процессе эксплуатации испытывает длительные циклические нагрузки, то критерием его прочности является предел выносливости σR (при симметричном круговом изгибе σ-1).

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.

Критерий жесткости характеризует способность материала сопротивляться деформациям. Именно этот критерий (а не критерий прочности) определяет размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых в процессе эксплуатации требуется сохранение точных размеров и формы.

Для ограничения упругой деформации материал этих деталей должен обладать высоким модулем упругости, являющимся его критерием жесткости.

В свою очередь, для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов машин и приборов, наоборот, важно обеспечить наибольшие упругие деформации. Для материалов таких изделий критерий жесткости характеризуется высоким пределом упругости и низким модулем упругости.

Надежность — свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным, поскольку происходит при напряжениях ниже расчетных и протекает с большой скоростью.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ, Ψ) и ударной вязкостью ()Однако эти критерии надежности определяются на небольших образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали и являются достаточными лишь для мягких малопрочных материалов. Однако для менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению необходимо учитывать дополнительные факторы, влияющие на пластичность и вязкость, и увеличивающие вероятность хрупкого разрушения.

Это наличие концентраторов напряжений (надрезов), низкие температуры, динамические нагрузки и большие размеры деталей (масштабный фактор).

Поэтому для предотвращения внезапных поломок деталей в процессе эксплуатации необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость — группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механикой разрушения . В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины, которые возникают из трещиноподобных дефектов, имеющихся в исходном материале (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. п.), в процессе изготовления детали при сварке или термической обработке, а также в процессе эксплуатации машины или изделия. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых, могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 1).

Для трещины длиной и радиусом (рис. 1) напряжение в вершине определяется зависимостью

Рис. 1. Концентрация напряжений вблизи эллиптической трещины

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Для пластичных материалов опасность таких напряжений мала. В результате перемещения дислокаций и увеличения их плотности у вершины трещины протекает местная пластическая деформация, приводящая к затуплению вершины. Затупление (уменьшение радиуса ) приводит к релаксации (снижению) локальных напряжений и их выравниванию, при этом дефект перестает играть роль острого концентратора напряжений.

Читайте также:
Испытание на растяжение - цели, требования ГОСТа, как проводятся

Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам. В силу того, что дислокации заблокированы и пластическая деформация невозможна, при увеличении средних напряжений локальные напряжения σy max повышаются настолько, что вызывают разрыв межатомных связей и развитие трещины. Рост трещины не тормозится, как в пластичных материалах, а ускоряется. После достижения некоторой критической длины трещины наступает ее самопроизвольный лавинообразный рост, вызывающий хрупкое разрушение.

Для высокопрочных материалов, которые обладают определенной пластичностью, реальную опасность представляют трещины только критической длины lкр. Увеличение трещины до значений lкр тормозится местной пластической деформацией. Однако при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается, и происходит самопроизвольное ее развитие и разрушение материала.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины (критерий ). Он определяет растягивающие напряжения σу в любой точке (рис. 2) впереди вершины трещины, которые вычисляются по формуле:

Знаменатель дроби обращается в единицу при х ≈ 0,16, поэтому К численно равен σу на расстоянии ∼ 0,16 мм от вершины трещины. Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают К1, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную — К. При этом

где α — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Критерий К1с, имеющий размерность МПа · м 1/2 , показывает то, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения, и связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины.

Значение К1с определяют экспериментально на образцах с надрезом и заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной.

Значение К1с зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (ее затупления) и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К1с называют вязкостью разрушения. Чем больше значение К1с, тем выше надежность и сопротивление этого материала вязкому разрушению. Кроме качественной характеристики надежности, К1с дополняет параметры σ0,2 и при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей с σв ≥ 1 200 МПа, титановых сплавов с σв ≥ 800 МПа и алюминиевых сплавов с σв ≥ 450 МПа). Этот критерий позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта.

Рис. 2. Зависимость напряжения от расстояния до вершины трещины

Для оценки надежности материала также используют следующие параметры: ударную вязкость и , температурный порог хладноломкости t50. Однако это качественные параметры и они непригодны для расчета на прочность.

Параметром КСV оценивают пригодность материала для изготовления сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, является более показательным. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибеииваеотцен способность материала тормозить начавшееся разрушение. Чем больше параметр КСТ, определенный при рабочей температуре в условиях эксплуатации, тем выше надежность материала. Так же как и К, КСТ учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения.

Порог хладноломкости t50 характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Этот порог определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. При таких испытаниях для оценки поведения материала при экстремальных условиях эксплуатации важным условием является сочетание ударного нагружения, надреза и низких температур (основных факторов, способстхвурюупщчиваонию ).

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t50. При этом, чем ниже температура перехода материала в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости материала и выше вероятность хрупкого разрушения.

Долговечность — свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причинами потери работоспособности материала являются: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80 %) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Она тем выше, чем ниже скорости зарождения и развития трещины усталости.

Износостойкость характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости изнашивания.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

  1. критерии прочности σв, σ0,2 и σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры детали;
  2. модули упругости Е, С, которые при заданной геометрии детали определяют величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость;
  3. пластичность δ, Ψ, ударная вязкость КСТ, KСV, КСU, вязкость разрушения К, порог хладноломкости t50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;
  4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.
Читайте также:
Материалы энергетики: пиротехнические, взрывчатые составы

Стали конструкционные

Конструкционные стали – это материалы, которые используются при создании различных строительных конструкций, деталей машиностроения и механизмов. Они имеют специфические химические, физические и механические характеристики. По химическому составу стали бывают легированными и углеродистыми.

Качество конструкционного металла связано с количеством примесей фосфора (Р) и серы ( S ), которые в нём содержатся. Они относятся к вредным соединениям. Чем больше в составе фосфора и серы, тем более хладно- и красноломкой становится сталь. На основании количества вредных примесей разработали следующую классификацию:

  • содержание серы и фосфора до 0,05% – сталь обыкновенного качества (маркировка «Ст»);
  • доля фосфора и серы до 0,035% – качественная сталь (маркировка «Сталь»);
  • количество серы и фосфора до 0,025% – высококачественная сталь (маркировка «А», буква ставится в конце);
  • объём фосфора и серы до 0,015% – особо высококачественная сталь (маркировка «Ш», буква ставится в конце).

Помимо этого при производстве используют классификацию сталей, отличающихся по механическим, физическим и химическим свойствам. Сюда входят:

  • углеродистые;
  • легированные;
  • низколегированные;
  • теплоустойчивые;
  • подшипниковые;
  • пружинные;
  • автоматные стали.

Все вышеперечисленные конструкционные металлы отличаются не только свойствами, но и сферами применения.

Сферы применения конструкционных сталей

  • Низколегированная сталь. Применяется в вагоностроении (железнодорожные, трамвайные, метро), локомотивостроении, при производстве сельскохозяйственной и полевой техники, при возведении крупных сооружений инженерной инфраструктуры, которые работают под воздействием постоянно меняющихся нагрузок и температур.
  • Теплоустойчивая сталь. Металл применяют для производства различных деталей, которые способны работать в течение долгого времени под постоянной нагрузкой при температуре до 6000 градусов по Цельсию.
  • Конструкционная подшипниковая сталь. Применяется для производства деталей, которые работают под действием переменных и сосредоточенных напряжений, образующихся в местах, где в подшипниках качения контактируют шарики с роликами и беговые дорожки колец.
  • Пружинная сталь. Её также называют пружинно-рессорной. Сфера применения пружинной стали – производство рессор, пружин, сильфонов и других подобных металлических изделий.
  • Автоматная сталь. Металл применяют для изготовления мелких крепёжных элементов и других деталей, выпускаемых большими партиями при помощи автоматических станков.

Легирование стали

Легирование стали – это процесс улучшения стального сплава, предполагающий ввод в состав дополнительных компонентов. Химические элементы позволяют изменить структуру материала с целью получения требуемых качеств. Для легирования стали может использоваться один, два или большее количество химических элементов.

В зависимости от типа легирующего элемента конструкционный металл приобретает определённые качества:

  • никель – делает металл пластичным, прочным и устойчивым к коррозии;
  • вольфрам – придаёт стали твёрдости и красностойкости;
  • хром – сталь становится твёрже, прочнее, коррозиеустойчивее, а также уменьшается пластичность;
  • кобальт – вводится при легировании стали для повышения её пластичности и прочности;
  • титан – нацелен на увеличение плотности, твёрдости и изменение структуры до мелкозернистой;
  • молибден – способствует повышению твёрдости, прочности и устойчивости к высоким температурам;
  • кремний – делает конструкционный металл более упругим, повышает магнитные свойства;
  • медь – добавляется для придания металлу устойчивости к коррозии и негативному воздействию кислот.

По маркировке конструкционной легированной стали можно понять, какие химические элементы были добавлены и в каком количестве. Начальные же цифры указывают на процентное содержание углерода. Если его доля не превышает 1% в десятых или сотых долях, то цифры могут отсутствовать. Примеры маркировки:

  • 12ХН3А – хромоникелевая сталь повышенного качества, содержащая углерод (0,12%), хром (прим. 1%), никель (3%);
  • 45ХА – хромистая сталь повышенного качества, в составе 0,45% углерода и примерно 1% хрома.

Если вы хотите приобрести качественную конструкционную сталь в Москве, воспользуйтесь каталогом Торгового дома «Ареал». Мы занимаемся реализацией высококлассного металлопроката более 20 лет.

9 Конструкционные материалы

Конструкционные материалы

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют мате­риалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инже­нерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Делали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при стати­ческих, циклических и ударных нагруз­ках, при низких и высоких температу­рах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, ос­новные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, кон­струкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью назы­вается комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длитель­ную работу материала в условиях экс­плуатации.

Механические свойства, определяю­щие конструкционную прочность и вы­бор конструкционного материала, рас­смотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия за­висят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Среда – жидкая, газообразная, ионизи­рованная, радиационная, в которой ра­ботает материал, оказывает существен­ное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вы­зывать повреждение поверхности вслед­ствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, из­менение химического состава поверх­ностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в ре­зультате ионизационного и радиацион­ного облучения. Для того чтобы проти­востоять рабочей среде, материал дол­жен обладать не только механическими, но и определенными физико-химически­ми свойствами: стойкостью к электро­химической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способ­ностью работать в условиях вакуума и др.

В некоторых случаях важно так­же требование определенных маг­нитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности разме­ров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Читайте также:
Зенкерование отверстий - описание технологии, виды инструмента

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характери­зуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформа­ции и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысо­кую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны со­держать минимальное количество леги­рующих элементов. Использование ма­териалов, содержащих легирующие эле­менты, должно быть обосновано повы­шением эксплуатационных свойств дета­лей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масшта­бе производства.

Таким образом, качественный кон­струкционный материал должен удовле­творять комплексу требований.

Рекомендуемые файлы

Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность – ком­плексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надеж­ности и долговечности.

Критерии прочности материала выби­рают в зависимости от условий его ра­боты. Критериями прочности при стати­стических нагрузках являются времен­ное сопротивление или предел теку­чести, характеризующие сопро­тивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближен­ной оценки статической прочности ис­пользуют твердость НВ.

Большинство деталей машин испыты­вает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности – предел вынос­ливости. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем боль­ше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали. Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих на­пряжений сопровождается увеличением упругих деформаций.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким мо­дулем упругости (или сдвига), являю­щимся критерием его жесткости. Имен­но критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин стан­ков, корпусов редукторов и других дета­лей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требо­вание. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов при­боров, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важ­ное значение имеет эффективность мате­риала по массе.

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает вне­запный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разру­шения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластич­ностью и ударной вязкостью. Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабо­раторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, доста­точно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам отно­сятся концентраторы напряжений (над­резы), понижение температуры, динами­ческие нагрузки, увеличение размеров деталей.

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необ­ходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость – группа параметров надежности, характеризую­щих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разру­шения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (ло­кальные) напряжения, в вершине которых мо­гут во много раз превышать средние рас­четные напряжения.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнаши­вания, ползучести, коррозии, радиацион­ного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление не­обратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьше­ние до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталост­ным разрушениям (циклической долго­вечностью) или сопротивлением изна­шиванию. Поэтому эти причины потери работоспособности материала требуют подробного рассмо­трения.

Циклическая долговечность характе­ризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющих­ся циклов напряжений. Цикл напряже­ния – совокупность изменения напряже­ния между двумя его предельными значениями σmax и σmin в течение перио­да Т.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводя­щие к изменению его свойств, образова­нию трещин, их развитию и разруше­нию, называют усталостью, а свойство противостоять усталостивыносли­востью.

Износостойкость – свойство материа­ла оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев мате­риала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изна­шивания называют износом. Его опре­деляют по изменению размеров, уменьшению объема или массы. Износостойкость материала оцени­вают величиной, обратной скорости изнашивания.

Классификация конструкционных материалов

Перечень конструкционных материа­лов, применяемых в машино- и прибо­ростроении, велик, и классифицировать их можно по разным признакам. Боль­шинство из них, такие, как стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в раз­личных деталях и конструкциях.

Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определен­ного функционального назначения: жа­ропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.

Классификация подраз­деляет конструкционные материалы 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 применения их определяется различны­ми критериями. В соответствии с выбранным принци­пом классификации все конструк­ционные материалы подразделяют на следующие группы:

Читайте также:
Термическая обработка стали: задачи, эффекты, применение

1. Материалы, обеспечивающие жест­кость, статическую и циклическую про­чность

2. Материалы с особыми технологическими свойствами

3. Износостойкие материалы

4. Материалы с высокими упругими свойствами

5. Материалы с малой плотностью

6. Материалы с высокой удельной прочностью

7. Материалы, устойчивые к воздей­ствию температуры и рабочей среды

Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности

Детали машин и приборов, передаю­щих нагрузку, должны обладать жест­костью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластиче­ской деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из много­образия материалов в наибольшей сте­пени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуна и осо­бенно стали. Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упру­гости и тем самым высокой жесткостью, уступая в этом лишь бору, вольфраму, молибдену, бе­риллию, которые из-за высокой стои­мости используются только в специаль­ных случаях. Высокая жесткость и дос­тупность обусловливают широкое при­менение сталей для изготовления строи­тельных металлоконструкций, корпус­ных деталей, ходовых винтов станков, валов и многих других деталей машин.

Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и цикличе­ской прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапа­зоне изменением концентрации углеро­да, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.

Применяемые в технике сплавы на ос­нове меди, алюминия, магния, титана, а также пластмассы уступают стали по жесткости, прочности или надежности. Кроме комплекса этих важных для ра­ботоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным ма­териалом. При соответствующем легировании и технологии термической обра­ботки сталь становится износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также при­обретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Стали свой­ственны также хорошие технологические свойства. К тому же она сравни­тельно недорога. Вследствие этих достоинств сталь – основной металлический материал промышленности.

Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическо­му составу, качеству, степени раскисле­ния, структуре и прочности.

По химическому составу стали класси­фицируют на углеродистые и легиро­ванные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеро­дистые ( 0,7% С). Легированные стали в зави­симости от введенных элементов под­разделяют на хромистые, марганцо­вистые, хромоникелевые, хромокремнемарганцевые и многие другие. По коли­честву введенных элементов их разде­ляют на низко-, средне- и высоколегиро­ванные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколеги­рованных – более 10%.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, каче­ственные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают сово­купность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производ­ства. Однородность химического соста­ва, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фос­фора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, по­этому нормы содержания вредных при­месей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035% Р, высоко­качественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, прово­димый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформа­ции.

Спокойные стали раскисляют марган­цем, кремнием и алюминием. Они со­держат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится по­вышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО соз­дает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие слали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si НВ 6000) и хрупкости. Присут­ствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обра­ботке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подраз­деляют на две группы: стали, содержа­щие до 2,14%С, и чугуны.

6. Конструкционные материалы

6.1. Свойства конструкционных материалов

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

Рисунок 6.1– Классификация конструкционных материалов

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.

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.

Читайте также:
Рекристаллизация: что это за явление,описание процесса и его стадий

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:

К механическим свойствам относятся:

Эти свойства определяют прочность и долговечность конструкции.

Прочность– это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Деформациейназывается 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 и рабочей (расчетной) длиной lо 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 Рупр;

равномерной пластической деформации от Рупр до Рмах;

и сосредоточенной пластической деформации от Рмахдо Рк.

Если образец нагрузить в пределах Рупр, 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 Пуассонаμ = 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 Рупрпоявляетсяостаточная (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 Рмахв 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 отРмахдо Рк, и при нагрузке Ркпроисходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая ∆lостостается.

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, определяют основные характеристики прочности материала:

σпц= Рпц/S– предел пропорциональности; σуп= Руп/S– предел упругости; σт= Рт/S– предел текучести; σв= Рмах/S– предел прочности или временной сопротивление; σк= Рк/S– 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.

Пластичностьхарактеризуется относительным удлинениеми относительным сужением:

где l,S– начальные длина и площадь поперечного сечения образца;lk,Sk – 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.

Читайте также:
Хонингование - суть и эффекты, инструменты для хонинговки металла

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р(100 н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечникаhпод нагрузкойP.

Твердость по Виккерсуопределяется 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 вязкостьхарактеризует 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:

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 свойствахарактеризуют 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.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Урок 8 (вариант А)
Виды и свойства конструкционных материалов. Рабочее место и инструменты для обработки конструкционных материалов

Раздел. Материальные технологии.

Вариант А: Технологии обработки конструкционных материалов.

1. Виды и свойства конструкционных материалов.

2. Рабочее место и инструменты для обработки конструкционных материалов.

Тип урока: комбинированный.

по теме 1: организовать деятельность обучающихся по ознакомлению со строением древесины, породами древесины, видами пиломатериалов и древесных материалов; ознакомить с видами листового металла, проволоки, искусственных материалов;

по теме 2: организовать деятельность обучающихся по ознакомлению с оборудованием рабочего места и основными инструментами для ручной обработки древесины, металлов и искусственных материалов.

Содержание урока 8 А

Материальные технологии
Технологии обработки конструкционных материалов
§9. Виды и свойства конструкционных материалов

Древесина. Пиломатериалы и древесные материалы

Древесина

Древесина – природный конструкционный материал. Её получают из стволов срубленных деревьев различных пород. Различают породы деревьев: лиственные, у которых на ветках растут листья (дуб, берёза, липа, осина, бук и др.), и хвойные, имеющие листья в виде иголок (ель, сосна, кедр, лиственница и др.).

Древесина как конструкционный материал весит меньше, чем металлы, легко разрезается, хорошо склеивается и соединяется гвоздями и шурупами. Также достоинством древесины является её красивый внешний вид. Поэтому с давних времён человек широко применяет этот материал в строительстве, при изготовлении мебели, спортивного и садового инвентаря, музыкальных инструментов, художественных изделий и многого другого. Но у древесины есть и недостатки: она портится от сырости (плесневеет, гниёт), коробится (становится неровной) при высыхании, легко возгорается, может иметь пороки строения – сучки, гниль, червоточину, трещины и др.

Читайте также:
Защитные материалы: классификация, свойства, применение, изготовление

Породы древесины различают по цвету, текстуре, запаху, твёрдости. Текстурой называют природный рисунок древесины, образованный годичными кольцами и видимый на срезе ствола (рис. 18).

Пиломатериалы

Стволы деревьев после обрезки ветвей и сучьев разрезают на брёвна. Брёвна распиливают вдоль (рис. 19, а, б) и получают пиломатериалы: доски обрезные и необрезные, брусья, бруски, горбыль (см. рис. 19, б).

Пиломатериалы имеют следующие элементы (рис. 20): пласть, ребро, торец, кромка.

Древесные материалы

Кроме пиломатериалов, получают и используют также древесные материалы: древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, шпон, фанеру и др.

Древесно-стружечные плиты (ДСП) изготавливают на специальных машинах прессованием стружки, смешанной с синтетической смолой.

Древесно-волокнистые плиты (ДВП) прессуют из измельчённой древесины в виде листов.

ДСП и ДВП применяют для изготовления мебели и в строительстве.

Шпон – это тонкие слои древесины. Его получают на специальных станках: острый нож срезает с поверхности вращающегося бревна тонкий слой древесины (рис. 21).

Фанера – это древесный материал, полученный путём склеивания трёх и более тонких листов шпона. Фанеру широко применяют при производстве мебели, а также в судостроении и авиастроении.

Тонколистовой металл и проволока. Искусственные материалы

Металлы – это вещества, которые обладают особым блеском, проводят электрический ток и тепло, намагничиваются (чёрные металлы), плавятся при сильном нагревании. Металлы гораздо прочнее и твёрже, чем древесина.

Ещё в давние времена люди использовали металлы для изготовления оружия, посуды, украшений, инструментов, а также для обработки земли и др. В настоящее время из металлов изготовляют самолёты, корабли, различные машины, предметы домашнего хозяйства.

Металлы подразделяют на чёрные и цветные. К чёрным относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун; к цветным металлам – медь, алюминий, свинец, олово, цинк и др.

Тонколистовой металл

В школьных условиях вы будете работать в основном с тонколистовой сталью толщиной не более 2 мм.

Листы толщиной 0,5. 0,8 мм называют кровельной сталью (кровля – это материал, которым покрывают крыши зданий). Чтобы листы не ржавели, их покрывают тонким слоем цинка (оцинкованная сталь).

Тонколистовую сталь толщиной 0,2. 0,5 мм называют жестью.

Из листового металла различной толщины изготавливают корпуса кораблей, самолётов, поездов и вагонов, автомобилей, различные ёмкости (цистерны, бочки, канистры), стиральные и посудомоечные машины, посуду и многое другое (рис. 22).

Очень тонкие листы металла называют фольгой. Например, алюминиевую фольгу применяют для упаковки и хранения пищевых продуктов: шоколада, конфет, колбасных изделий и других, для запекания блюд в духовом шкафу кухонной плиты.

Проволока

Кроме тонколистового металла, для изготовления различных изделий используют заготовки из проволоки.

В промышленности из стальной проволоки производят гвозди, шурупы, металлическую сетку и другое, а алюминиевая и медная проволока идёт на изготовление электрических проводов и заклёпок.

Искусственные материалы

Это материалы, состоящие из сложных веществ, получаемых на предприятиях химической промышленности. К этим материалам относятся пластические массы (пластмассы и пластики). При нагревании пластмассы размягчаются, что позволяет изготавливать из них изделия различной формы.

К ним относятся следующие материалы. Полиэтилен служит для изготовления плёнок для парников, бутылок и др. Органическое стекло применяют в автомобилестроении и для линз очков. Из капрона делают рыболовные сети, изготавливают нити, ткани и др. Гетинакс и текстолит (слоистые прессованные материалы, полученные из бумаги и хлопчатобумажных тканей, пропитанных смолами) используют как электроизоляционный материал. Из пенопласта (лёгкого материала в виде застывшей пены) изготавливают декоративные элементы для потолков помещений, его используют как утеплитель, упаковку и др.

Практическая работа № 10

Распознавание древесины и древесных материалов

1. Получите у учителя образцы древесины. Определите их текстуру, цвет, запах, твёрдость. Запишите в таблицу в рабочей тетради изученные свойства древесины. Проведите такой опыт: вдавливая в поверхность каждого образца шило (не вращая его), определите, какие породы твёрдые, а какие – мягкие.

Номер образца Порода Текстура Цвет Запах Твёрдость
1
2
3

2. Изучите образцы древесных материалов: ДСП, ДВП, шпона, фанеры. Определите количество слоёв в образце фанеры и измерьте линейкой его толщину.

Практическая работа № 11

Ознакомление с образцами тонколистового металла, проволоки и пластмасс

1. Рассмотрите предложенные учителем образцы тонколистового металла, проволоки и искусственных материалов.

2. Определите цвет образца и название металла или сплава.

3. Измерьте толщину листа металла и проволоки (при помощи учителя).

4. Запишите результаты наблюдений в таблицу в рабочей тетради. Напишите, где применяется материал образцов.

Номер образца Вид образца (проволока или тонколистовой металл) Толщина образца Цвет образца Название металла или сплава Свойства металла Где применяется данный металл или сплав

5. Проведите такой опыт: согните стальную и медную проволоку одинакового диаметра. Сделайте выводы.

6. Рассмотрите и исследуйте предложенные учителем образцы пластмасс (полиэтилен, органическое стекло, гетинакс, пенопласт), визуально определите внешние признаки материалов. Запишите результаты исследования в таблицу.

Вид образца Свойства материала Где применяется данный материал
твёрдый или мягкий прозрачный или непрозрачный
Полиэтилен
Оргстекло
Гетинакс
Пенопласт
Читайте также:
Быстрорежущая сталь: описание, свойства, маркировка

Запоминаем опорные понятия

Древесина, текстура, пиломатериалы, древесные материалы; металлы, кровельная сталь, жесть, фольга, проволока; искусственные материалы, пластмассы.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Узнайте, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, какие ещё искусственные материалы человек применяет в науке, технике, повседневной жизни. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Материалы в машиностроении

Материалы, применяемые в машиностроении

Естественно, что данная продукция обязана сдерживать и наружные, и внутренние различные влияния (шумовая, тепловая изоляция, герметизация и тому подобное). Эти характеристики материалов и сырья анализируются до их применения, при определении их параметров.

Присутствует очень большое количество конструкционных материалов, подбор которых осуществляют конструкторы. Материалы и сырьё должны соответствовать определённым требованиям, предъявляемым для изготовления различных изделий.

Металлы и сплавы

В машиностроительной отрасли под металлами возможно понимать, как сами химические элементы, так и их смеси, либо сплавы, отличаемые по некоторым параметрам и характеристикам

  • Отблеск металла.
  • Большая тепловая и электрическая проводимость.
  • Непрозрачность.
  • Вероятность обрабатывания материала в холодном и горячем состоянии.

Металлы отлично соединяются с химическими элементами, которые не являются металлами, к ним относятся: оксиды, нитриды, бориды и тому подобные элементы. А также металлы прекрасно осуществляют сплавы с иными металлами. Организации машиностроения эффективно применяют различные металлы и сплавы в собственном производстве. В машиностроении применяется более 60 типов металлов, а также на их основании применяется более 5 тысяч сплавов.

Сплавы возможно получать при прямых физических смешиваниях, это плавка, растворение, перемешивание. Но создание сплавов возможно и при химическом взаимодействии меж компонентами. Сплавы на базе чёрных металлов именуются чёрными, а на базе иных компонентов именуются цветными сплавами. Лёгкие цветные сплавы производятся на базе алюминия, титана, и обладают небольшой плотностью, тяжёлые сплавы, обладающие большой плотностью, производятся на базе меди, олова, свинца.

Чугун

Чугун довольно часто используется в машиностроительной отрасли. Чугун делится на белый, серый, ковкий, высокопрочный. Белый чугун чаще всего применяется для переработки в сталь. Данный чугун получается при кратковременном охладительном процессе, при заливке его в форму. Он обладает пониженным содержанием кремния. Либо увеличенным количеством магния. При длительном отжиге белого чугуна происходит получение ковкого чугуна.

Данный чугун обладает очень большой хрупкостью, и используется при изготовлении зубчатых колёс, цепных звеньев, хомутов, муфт и прочих изделий, поскольку не предусматривается физического влияния. Серый чугун содержит увеличенное количество кремния, и считается ключевым материалом для осуществления отливок. Путём влияния на графит во время присутствия в жидкостном состоянии, возникла возможность получить модифицированный чугун, имеющий более прочные свойства.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Сталь

Сталь очень часто используется в машиностроительной отрасли. Сталь хорошей ковкостью обладает сталь в нагретом состоянии. А также сталь довольно прочная и вязкая, отлично поддаётся обработке. Сталь подразделяется две категории: углеродистые и легированные стали. Сталь пригодна для изготовления следующей продукции: штампованные болты, штыри, детали для сварки, свёрла, зубила, различные валы, зубчатые колёса, а также прокатная продукция и тому подобные изделия.

Для машиностроительных организаций круглый профиль считается главной заготовкой, из которой в дальнейшем изготавливают детали, механизмы, крепежи. Использование металлического проката находится в прямой зависимости от марки стали. По данному критерию отличают следующие виды круга:

  • Обычное качество.
  • Конструкционные высококачественные круги.
  • Конструкционные низколегированные круги.
  • Конструкционные легированные профили стали.
  • Рессорно-пружинные круги.
  • Инструментальные из углеродистой стали.
  • Инструментальные штамповые круги.
  • Конструкционный профиль высокой теплостойкости.
  • Подшипниковые круги.
  • Инструментальные легированные круги.
  • Инструментальные быстрорежущие из стали.
  • Высоколегированные круги нержавейки.
  • Круги с высокой жаростойкостью и жаропрочностью.
  • Калиброванные круги.

Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы активно применяются в отраслях, которые занимаются обработкой металла, а также добычей полезных ископаемых. Режущий инструментарий, который изготовлен из твёрдых сплавов, осуществляет свои функции намного эффективнее и продуктивнее, нежели инструментарий, изготовленный из простых сплавов металла.

Наибольшей прочностью считается, что обладает титан, который не так давно применяют в производстве. Ко всему прочему, твёрдые сплавы считаются на много более лёгкими. Данные сплавы используются в производстве сверхзвуковой авиации, поскольку титановые сплавы терпимо относятся к применению температур свыше 500°C. Ко всему прочему, титановые сплавы имеют высокий показатель стойкости к коррозии, и практически не окисляются в агрессивных условиях.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Сплавы на основе алюминия широкомасштабно используются при изготовлении автомобильной техники, тракторов, приборов, при самолётостроении, а также множества иного оборудования. Алюминий активно используется при производственных процессах во многих отраслях промышленности. И как материал, алюминий занимает лидирующие позиции по его применению в различных промышленных отраслях, уступая первенство только кислороду. Алюминий возможно прекрасно штамповать, ковать, а также отливать. Благодаря именно комплексу данных качеств он настолько популярен. Ко всему прочему, алюминий намного легче стальных сплавов и чугуна, и имеет отличную электрическую проводимость.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Иные металлы

Медь является прекрасным токопроводящим элементом. По данной причине, её массово используют при изготовлении электрических компонентов. Медь более тяжёлая по весу относительно стали и чугуна. Она довольно пластична, как в составе сплава, так и в чистом виде.

Свиней и сплавы из него являются некачественными тепловыми и электрическими проводниками. В промышленных отраслях он используется для изготовления аккумуляторов, кабельной и тому подобной продукции. Свинец и его сплавы обладают высокой мягкостью и пластичностью. Зачастую его применяют для присоединения к иным металлам.

Читайте также:
Виды пластмасс, их характеристика, производство и применение

Цинк и его сплавы относятся к тяжёлым металлам, в выраженным блеском металла. Цинк в большом количестве применяется для шинкования комплектующих. Чаще всего цинк используется не в чистом виде, а в сплавах. В том числе, цинк используется во время изготовления белил.

Олово и его сплавы являются существенно мягким металлом. И благодаря устойчивым свойствам к воздушной и водной массе, а также к слабым кислотным соединениям, олово и его сплавы часто используются при изготовлении бытовых принадлежностей, а также в промышленности. В том числе олово присутствует в составе припоев, антифрикционных сплавов и бронз.

Баббиты являются сплавами на базе металлов меди, цинка и олова, алюминия. Их основное применение – это заливки подшипников в электродвигателях, турбинах, насосах и тому подобное.

Бронза подразделяется на бронзу с примесями олова, и на бронзу без примесей. Бронза с примесями олова довольно антикоррозийная, в том числе имеет отличные характеристики для литья. Однако широкомасштабно бронза не применяется, поскольку олово является относительно дорогостоящим металлом, а также обладает определённым дефицитом. Однако бронза без примеси олова широкомасштабно используется в промышленных отраслях.

Неметаллические материалы, применяемые в машиностроительной отрасли

Базой использования материалов в машиностроительной отрасли считаются металлы и их сплавы. Однако собственное использование находится и для некоторых неметаллических материалов. Данные материалы фактически не очень хороши в плане теплопроводности, однако они обладают иными положительными свойствами, которые зачастую востребованы. Неметаллические материалы обладают достаточной прочностью, лёгкостью, и чаще всего намного менее затратные в финансовом отношении.

Ниже приведены некоторые неметаллические материалы, которые используются в промышленных отраслях:

  • Асбестовая ткань.
  • Картон высокой водостойкости.
  • Паронит, применяется для производства прокладок меж стационарными деталями из металла.
  • Конструкционный текстолит.
  • Гетинакс, используется для производства подшипников, маховиков и тому подобной продукции.
  • Резиновые и резинотканевые пластины.
  • Органическое стекло.
  • Пресс-материал, применяемый для производства разнообразных комплектующих путём сжатия.
  • Технический войлок.

Токарная обработка металла — все о технологии токарных работ

К наиболее распространенным методикам изготовления деталей с заданными геометрическими параметрами относится токарная обработка металла. Суть данной методики, позволяющей также получать поверхность с требуемой шероховатостью, заключается в том, что с заготовки убирают лишний слой металла.

Процесс токарной обработки металла

Принципы токарной обработки

Технология токарных работ по металлу предполагает использование специальных станков и режущего инструмента (резцы, сверла, развертки и др.), посредством которого с детали снимается слой металла требуемой величины. Токарная обработка выполняется за счет сочетания двух движений: главного (вращение заготовки, закрепленной в патроне или планшайбе) и движения подачи, совершаемого инструментом при обработке деталей до заданных параметров их размера, формы и качества поверхности.

За счет того, что существует множество приемов совмещения этих движений, на токарном оборудовании работают с деталями различной конфигурации, а также осуществляют целый перечень других технологических операций, к которым относятся:

  • нарезание резьбы различного типа;
  • сверление отверстий, их растачивание, развертывание, зенкерование;
  • отрезание части заготовки;
  • вытачивание на поверхности изделия канавок различной конфигурации.

Основные виды токарных работ по металлу

Благодаря такой широкой функциональности токарного оборудования на нем можно сделать очень многое. Например, с его помощью выполняют обработку таких изделий, как:

  • гайки;
  • валы различных конфигураций;
  • втулки;
  • шкивы;
  • кольца;
  • муфты;
  • зубчатые колеса.

Естественно, что токарная обработка предполагает получение готового изделия, которое соответствует определенным стандартам качества. Под качеством в данном случае подразумевается соблюдение требований к геометрическим размерам и форме деталей, а также степени шероховатости поверхностей и точности их взаимного расположения.

Для обеспечения контроля над качеством обработки на токарных станках применяют измерительные инструменты: на предприятиях, выпускающих свою продукцию крупными сериями, – предельные калибры; для условий единичного и мелкосерийного производства – штангенциркули, микрометры, нутрометры и другие измерительные устройства.

Измерительные инструменты, часто используемые в токарном деле

Первое, что рассматривают при обучении токарному делу, – это технология обработки металлов и принцип, по которому она осуществляется. Заключается этот принцип в том, что инструмент, врезаясь своей режущей кромкой в поверхность изделия, зажимает его. Чтобы снять слой металла, соответствующий величине такого врезания, инструменту надо преодолеть силы сцепления в металле обрабатываемой детали. В результате такого взаимодействия снимаемый слой металла формируется в стружку. Выделяют следующие разновидности металлической стружки.

Такая стружка формируется тогда, когда на высоких скоростях обрабатываются заготовки, выполненные из мягкой стали, меди, олова, свинца и их сплавов, полимерных материалов.

Образование такой стружки происходит, когда на небольшой скорости обрабатываются заготовки из маловязких и твердых материалов.

Стружка такого вида получается при обработке заготовок из материала, отличающегося невысокой пластичностью.

Формирование такой стружки свойственно для среднескоростной обработки заготовок из стали средней твердости, деталей из алюминиевых сплавов.

Виды стружки при токарной обработке

Режущий инструмент токарного станка

Эффективность, которой отличается работа на токарном станке, определяется рядом параметров: глубиной и скоростью резания, величиной продольной подачи. Чтобы обработка детали была высококачественной, необходимо организовать следующие условия:

  • высокую скорость вращения заготовки, фиксируемой в патроне или планшайбе;
  • устойчивость инструмента и достаточную степень его воздействия на деталь;
  • максимально возможный слой металла, убираемый за проход инструмента;
  • высокую устойчивость всех узлов станка и поддержание их в рабочем состоянии.

Скорость резки выбирается на основе характеристик материала, из которого сделана заготовка, типа и качества применяемого резца. В соответствии с выбранной скоростью резки выбирается частота вращения шпинделя станка, оснащенного токарным патроном или планшайбой.

Читайте также:
Дефекты в кристаллах - все виды с подробным описанием

При помощи различных типов резцов можно выполнять черновые или чистовые виды токарных работ, а на выбор инструмента основное влияние оказывает характер обработки. Изменяя геометрические параметры режущей части инструмента, можно регулировать величину снимаемого слоя металла. Выделяют правые резцы, которые в процессе обработки детали передвигаются от задней бабки к передней, и левые, движущиеся, соответственно, в обратном направлении.

Основные типы токарных резцов

По форме и расположению лезвия резцы классифицируются следующим образом:

  • инструменты с оттянутой рабочей частью, ширина которой меньше ширины их крепежной части;
  • прямые;
  • отогнутые.

Различаются резцы и по цели применения:

  • подрезные (обработка поверхностей, перпендикулярных оси вращения);
  • проходные (точение плоских торцовых поверхностей);
  • канавочные (формирование канавок);
  • фасонные (получение детали с определенным профилем);
  • расточные (расточка отверстий в заготовке);
  • резьбовые (нарезание резьбы любых видов);
  • отрезные (отрезание детали заданной длины).

Качество, точность и производительность обработки, выполняемой на токарном станке, зависят не только от правильного выбора инструмента, но и от его геометрических параметров. Именно поэтому на уроках в специальных учебных заведениях, где обучаются будущие специалисты токарного дела, очень большое внимание уделяется именно вопросам геометрии режущего инструмента.

Углы токарного резца

Основными геометрическими параметрами любого резца являются углы между его режущими кромками и направлением, в котором осуществляется подача. Такие углы режущего инструмента называют углами в плане. Среди них различают:

  • главный угол – φ, измеряемый между главной режущей кромкой инструмента и направлением подачи;
  • вспомогательный – φ1, расположенный, соответственно, между вспомогательной кромкой и направлением подачи;
  • угол при вершине резца – ε.

Угол при вершине зависит только от того, как заточен инструмент, а вспомогательные углы можно регулировать еще и его установкой. При увеличении главного угла уменьшается угол при вершине, при этом уменьшается и часть режущей кромки, участвующей в обработке, соответственно, стойкость инструмента тоже становится меньше. Чем меньше значение этого угла, тем большая часть режущей кромки участвует как в обработке, так и в отводе тепла от зоны резания. Такие резцы являются более стойкими.

Практика показывает, что для токарной обработки не слишком жестких заготовок небольшого диаметра оптимальным является главный угол, величина которого находится в интервале 60–90 градусов. Если обрабатывать необходимо заготовку большого диаметра, то главный угол необходимо выбирать в интервале 30–45 градусов. От величины вспомогательного угла зависит прочность вершины резца, поэтому его не делают большим (как правило, он выбирается из интервала 10–30 градусов).

Особое внимание на уроках по токарному делу уделяется и тому, как правильно выбирать тип резца в зависимости от вида обработки. Так, существуют определенные правила, по которым обработку поверхностей того или иного типа выполняют с помощью резца определенной категории.

  • Обычные прямые и отогнутые резцы необходимы для обработки наружных поверхностей детали.
  • Упорный проходной инструмент потребуется для торцевой и цилиндрической поверхностей.
  • Отрезной резец выбирают для протачивания канавок и обрезки заготовки.
  • Расточные резцы применяются для обработки отверстий, просверленных ранее.

Отдельную категорию токарного инструмента составляют резцы, с помощью которых можно обрабатывать фасонные поверхности с длиной образующей линии до 40 мм. Такие резцы подразделяются на несколько основных типов:

  • по конструктивным особенностям: стержневые, круглые и призматические;
  • по направлению, в котором осуществляется обработка изделия: радиальные и тангенциальные.

Токарно-винторезный станок 1В625МП

Виды оборудования для токарной обработки

Из всех типов оборудования для токарной обработки наибольшее распространение и на крупных, и на мелких предприятиях получил токарно-винторезный станок. Причиной такой популярности является многофункциональность этого устройства, благодаря которой его с полным основанием можно назвать универсальным.

Перечислим основные элементы конструкции такого станка:

  • две бабки – передняя и задняя (в передней бабке размещают коробку скоростей станка; шпиндель с токарным патроном (или планшайбой), на задней бабке размещены продольные салазки и пиноль оборудования);
  • суппорт, в конструкции которого различают верхние и нижние салазки, поворотную плиту и резцедержатель;
  • несущий элемент оборудования – станина, установленная на две тумбы, в которых размещают электродвигатели.
  • коробка подач.

Токарный станок с ЧПУ

Все большее распространение получают станки, управление которыми осуществляется при помощи специальных компьютерных программ, – станки с ЧПУ. Конструкция таких станков отличается от обычной только тем, что в ней присутствует специальный блок управления.

В отдельные категории выделяют следующие виды станков токарной группы:

  • токарно-револьверное оборудование, применяемое для обработки деталей сложной конфигурации;
  • токарно-карусельные станки, среди которых различают одно- и двухстоечные;
  • многорезцовое полуавтоматическое оборудование, которое можно встретить на предприятиях, выпускающих свою продукцию крупными сериями;
  • обрабатывающие комплексы, на которых можно выполнять как токарные, так и фрезерные операции.

Без токарной обработки сегодня крайне сложно представить многие производственные отрасли. Поэтому данный вид работы с металлом продолжает развиваться, несмотря на и без того высокий уровень, позволяющий обеспечить высочайшее качество и скорость обработки.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: