Реферат: Конструкционные материалы

Алюминий – элемент 3 группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660ºС. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность. Алюминий обладает высокой электропроводностью. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты (99,999%), высокой чистоты (99,995%) и технической чистоты (99%).

В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

1.1 Классификация алюминиевых сплавов.

Все сплавы алюминия можно разделить на три группы:

1. Деформируемые сплавы, предназначенные для получения полуфабрикатов, а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

2. Литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

3. Сплавы, получаемые методом порошковой металлургии.

Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Сплавы алюминия широко применяют в тех случаях, когда важно снижение массы машины (конструкции).

1.2 Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al – Cu – Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а, присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т (Al12Mn2Cu), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства. В качестве примесей в дуралюмине присутствуют железо и кремний. Железо, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение Al7Cu2Fe, нерастворимое в алюминии. Железо связывает медь в этом соединении, вследствие чего снижается эффект упрочнения при старении, поэтому содержание железа не должно превышать 0,5 – 0,7%.

Кремний образует фазы Mg2Si и W(AlxMg5Cu4Si4), которые растворяются в алюминии и при последующем старении упрочняют сплав.

Дуралюмин хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. При закалке дуралюмина важно обеспечить высокую скорость охлаждения, поэтому ее проводят в холодной воде. Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, так как оно обеспечивает получение более высокой коррозионной стойкости. Понижение температуры тормозит старение, а повышение ее, наоборот, увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозии.

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и плохо – в отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из дуралюминов изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей.

Сплавы авиаль. Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии.

Из авиалей изготовляют различные полуфабрикаты, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Высокопрочные сплавы. Прочность этих сплавов достигает 55 – 70 кгс/мм2, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается. А их пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость. По сравнению с дуралюмином эти сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. У них меньше предел выносливости и сопротивляемость повторным статическим нагрузкам.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Высокопрочные сплавы применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, для изготовления прессованных и кованых изделий. Они рекомендуются для сжатых зон конструкций, для деталей без концентратов напряжения.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Эти сплавы используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление, которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Также рекомендуются для тяжело нагруженных штампованных деталей.

Сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300ºС (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Высокая жаропрочность сплавов достигается благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации.

1.3. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием.

Сплавы Al – Mg добавочно легируют марганцем, который, образуя дисперсные частицы Al6Mn, упрочняет сплав. Эффект от закалки и старения этих сплавов невелик, и их применяют в отожженном состоянии.

Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой снимается в зоне сварки.

Сплавы легко обрабатываются давлением. Хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

1.4.Литые алюминиевые сплавы.

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Чаще применяют сплавы Al – Si, Al – Cu, Al – Mg, которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния (Al – Si), кремния (Al – Mg), марганца, никеля, хрома (Al – Cu).

Сплавы Al – Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому и потому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большей плотностью. Обладают высокой коррозийной стойкостью.

Из силуминов изготавливают крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей).

Сплавы Al – Si сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплавы Al – Cu. Эти сплавы после термической обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие. Эти сплавы используют для отливки небольших деталей простой формы. Они склонны к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl2 и Al2Cu2Fe, поэтому сплавы Al – Cu применяют в закаленном состоянии, когда эти соединения переведены в твердый раствор. Если от отливок требуется повышенная прочность. То их после закалки подвергают искусственному старению при 150ºС.

Сплавы Al – Cu малоустойчивы против коррозии, поэтому отливки обычно анодируют.

Сплавы Al – Mg. Сплавы алюминий с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплавам модифицирующих присадок (Ti, Zr) улучшает механические свойства, а бериллия уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.

Эти сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации. Добавление к сплавам Al – Mg кремния улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Жаропрочные сплавы. Структура этих сплавов состоит из α – твердого раствора, содержащего Cu, Mg и Ni, и избыточных фаз Al2CuMg и Al6Cu3Ni. Отливки применяют после закалки и кратковременного старения при 175ºС.

Добавочное легирование жаропрочных сплавов кремнием улучшает литейные свойства. Для увеличения жаропрочности и измельчания структуры сплавы легируют Fe, Ti, Cr и Mn. Для стабилизации размеров и снятия внутренних напряжений сплав подвергают отжигу при 300ºС. Для достижения максимальной жаропрочности отливки закаливают и подвергают старению при 230ºС. Жаропрочные сплавы применяют к деталям, длительно работающим при 250 - 270ºС.

1.5. Алюминиевые подшипниковые сплавы.

Из этих сплавов изготавливают подшипники. Основными компонентами сплавов являются Sn, Cu, Ni, Si, образующие с алюминием гетерогенные структуры.

Чем больше в сплавах олова, тем выше его антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание олова не должно превышать 10 – 12%, так как образующаяся грубая сетка оловянистой составляющей снижает износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры. В деформированных сплавах оловянистая составляющая располагается в виде отдельных включений внутри зерен, это дает возможность увеличить содержание олова и значительно улучшить антифрикционные свойства сплава.

При работе в тяжелонагруженных скоростных подшипниках на рабочую поверхность сплавов наносится слой олова или другого мягкого металла.

1.6. Спеченные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко используют сплавы на основе Al – Al2O3, получившие название САП (спеченный алюминиевый порошок).

Эти сплавы получают путем холодного брикетирования алюминиевого порошка, вакуумной дегазации брикетов (отжига) и последующего спекания нагретых брикетов под давлением. Они состоят из алюминия и дисперсных чешуек Al2O3. Частицы Al2O3 эффективно тормозят движение дислокации и повышают прочность сплава.

По сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500ºС.

Некоторое применение нашли спеченные алюминиевые сплавы (САС). Чаще САС применяют, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 - 200ºС. Которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

2. Сплавы на основе меди.

Медь – химический элемент 1 группы Периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083ºС. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за небольшой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

2.1 Классификация медных сплавов.

Различают две основные группы медных сплавов:

1. Латуни - сплавы меди с цинком.

2. Бронзы – сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть цинк.

Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

2.2 Латуни.

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

Двойные латуни нередко легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. Легирующие элементы увеличивают прочность, но уменьшают пластичность латуни.

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn и Ni.

Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20% Zn склонны к коррозийному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода, аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250 - 650ºС, а изделия из латуни – при 250 - 270ºС.

Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные – для фасонного литья.

Литейные латуни обладают хорошей текучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно отсутствие склонности к коррозийному растрескиванию, применяют латуни с высоким содержанием меди. Латуни с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, но хуже сопротивляются коррозии.

Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, получившие название морских латуней.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, от которых требуется повышенная прочность, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются лучшей коррозийной стойкостью.

2.3. Бронзы .

Оловянные бронзы – это сплавы состава Cu – Sn. Максимальное содержание олова в таких сплавах 10 – 12%. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации (образованию рассеянной пористости); при ускоренном охлаждении у них резко выраженное дендритное строение.

Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu31Sn8, предел прочности резко снижается.

Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы. Фосфор при содержании его свыше 0,3% образует Cu3P. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозийную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но облегчает обработку резанием и антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы изготовляют в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном и отожженном состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются для пружин и пружинных деталей. Литейные бронзы содержат большое количество цинка, фосфора и нередко свинца.

Оловянные бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой коррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700 - 750ºС с последующим быстрым охлаждением.

Безоловянные бронзы. Безоловянные бронзы представляют собой сплавы меди с Al, Ni, Si, Fe, Be, Cr, Pb и другими элементами.

Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные Ni, Mn, Fe и другими. Эти бронзы используют для различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестерен и других небольших ответственных деталей. Сплавы, содержащие до 4 – 5 % Al, обладают высокой пластичностью и прочностью. Бронзы, содержащие более 9% Al, имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ниже. При содержании свыше 10 – 12% Al уменьшается уже и прочность сплавов. Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость как при низких, так и высоких температурах.

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства; бронзы легко обрабатываются давлением в горячем состоянии. Вследствие хороших литейных свойств из них можно изготовлять разнообразные отливки. Однако в них наблюдается значительная усадка и газопоглощение.

Кремнистые бронзы. При легировании меди кремнием повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозийные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются, обладают высокими механическими свойствами, упругостью и коррозийной стойкостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных температурах, в агрессивных средах.

Бериллиевые бронзы относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой. После закалки бронза обладает прочностью, высокой пластичностью и способности упрочняться при отпуске как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Отпуск проводят при 300 - 350ºС.

Наряду с высокими пределом прочности, текучести и упругости бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием.

Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. При 953ºС происходит монотектическое превращение и при 327ºС эвтектическое. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом, поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства.

Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Свинцовые бронзы используют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.

Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые, растворяясь в меди, повышают механические и коррозийные свойства. Свинцовые бронзы с добавкой олова и никеля, обладающие высокими механическими свойствами, используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников без стальной основы.

3. Сплавы на основе железа.

Чистое железо – металл серебристо – белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539ºС. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.

Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью; сплавы содержащие более 2,14% углерода – чугуном. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики.

3.1.Сталь

Является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).

Конструкционные стали и сплавы.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.

Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

Углеродистые конструкционные стали.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.

Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.

Кипящие стали. К этому виду относятся стали, полностью нераскисленные и содержащие поэтому до затвердевания повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.

Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.

Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.

Среднеуглеродистые стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.

Высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.

Автоматные стали.

Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.

Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.

Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.

Конструкционные низколегированные стали.

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.

Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.

Конструкционные цементуемые легированные стали.

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

Хромистые стали. Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.

Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.

Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.

Конструкционные улучшаемые легированные стали.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска.

Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Введение титана обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву, а бора увеличивает прокаливаемость.

Хромокремнемерганцевые стали (хромансил). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Хромоникелевые стали. Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

Хромоникельмолибденовые стали. Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

Хромоникельмолибденованадиевые стали. Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.

Мартенситностареющие высокопрочные стали.

Мартенситностареющие стали представляют собой сплавы железа с никелем (8 – 20%), а часто и с кобальтом. Для протекания процесса старения в мартенсите сплавы дополнительно легируют Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.

Никель и кобальт способствуют упрочнению при старении и одновременно повышают сопротивление хрупкому разрушению.

Хром упрочняет мартенсит сталей Fe – Ni – Ti и Fe – Ni – Al при старении повышает сопротивление коррозии.

Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике.

3.2. Чугун.

Сплавы железа с углеродом (> 2,14%) называют чугуном. Различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун представляет собой сплав Fe – Si – C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств углерода должно быть не менее 2,4%. Кремний оказывает большое влияние на строение, а следовательно и на свойства чугунов.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугуна:

1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита Fe3C.

2. Половинчатый чугун; большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

3. Перлитный серый чугун; 0,7 – 0,8% углерода находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

4. Ферритно–перлитный серый чугун. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% углерода.

5. Ферритный серый чугун. В этом случае весь чугун находится в виде графита.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25 – 1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1 – 0,12%.

Содержание фосфора в сером чугуне приблизительно 0,2%, но иногда допускается даже 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна, при этом увеличивая хрупкость отливок.

Серые чугуны по их применению можно разделить на группы:

1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.

2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.

3. Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.

Белый и отбеленный чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью. Практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверхности обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний.

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, износостойкость и т. д.

Высокопрочные чугуны применяют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей.

Ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Ковкий чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге.

Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.

4. Пластмассы.

Пластмассами называют искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.

4.1. Термопластичные пластмассы.

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопластичные пластмассы применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна.

Неполярные термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (- CH2 – CH2 -)n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах до 60 - 100ºС. Морозостойкость полиэтилена достигает - 70ºС и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекленения парников, облицовки водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полипропилен (- CH2 – CHCH3 -)n – является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико–механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150ºС. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки.

Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые

Полистирол (- CH2 – CHC6H5 -)n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

Фторопласт-4 являются термически и химически стойкими материалами. Фторопласт-4 можно длительно эксплуатировать при температуре до 250ºС. Разрушение материала происходит при температуре выше 415ºС. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, краны, насосы, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 полимер трифторхлорэтилена, имеет формулу (-CF2 – CFCl-)n и является кристаллическим полимером. Интервал рабочих температур фторопласта-3 от -105 до +70ºС. При температуре 315ºС начинается термическое разрушение. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металла и др.

Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. При температуре 80ºС органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 - 150ºС появляется пластичность, что позволяет формировать из него различные детали. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из органического стекла изготовляют светотехнические детали и оптические линзы.

Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером с химической формулой (- CH2 – CHCl -)n. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды – это кристаллизующиеся полимеры. У них низкая плотность. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные канаты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

Полиуретаны содержат уретановую группу – NH – COO -. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером. Является диэлектриком и обладает относительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Поликарбонат – сложный полиэфир угольной кислоты. Химически стоек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, топливу, маслам; разрушается крепкими щелочами. Выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к ионизирующим излучениям. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали.

Полиарилаты – сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость, хорошие показатели механической прочности и антифрикционные свойства. Полиарилаты применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без смазки, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике.

Пентапласт обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах.

Полиформальдегид имеет температурный интервал применимости от -40 до +130ºС. Он водостоек, стоек к минеральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шестерен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д.

Термостойкие пластики. К термостойким пластикам относятся ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон, полиимиды и полибензимидазолы. Температура эксплуатации до 400ºС.

Ароматический полиамид имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. Обладает высокой усталостной прочностью и износостойкостью. Из него изготавливают подшипники, уплотнительные детали запорных устройств, зубчатые колеса, детали электропередач.

Полифениленоксид обладает химической стойкостью, низким водопоглощением, имеет хорошие физико-механические характеристики. Длительно его можно применять до 130 - 150ºС. Из него изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках.

Полисульфон – это термически стабильный, химически стойкий материал. По прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температурах от -100 до +175ºС. Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий.

Полиимиды – ароматические гетероциклические полимеры. В зависимости от структуры они могут быть термопластичными и термореактивными. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от -200 до +300ºС), стойкостью к радиации. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабым кислотам и основаниям. Разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров. Могут длительно работать в вакууме при высоких температурах.

Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей, печатных схем, электронно-вакуумной тепловой изоляции.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Они обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов, могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков.

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц используют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани.

В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. Стекловолокниты обладают повышенными прочностью и теплостойкостью, усталостной прочностью и износостойкостью. Интервал рабочих температур от -60 до +150ºС.

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (капрон, лавсан) являются перспективными. Обладают высокой длительной прочностью.

Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Из них изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы вентили, емкости для агрессивных сред и др.

4.2. Термореактивные пластмассы.

В качестве связующих веществ применяются термореактивные смолы, в которые иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителя применяют органические и минеральные порошки. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью.

На основе фенолоформальдегидных смол с органическими наполнителями изготовляют пресс-порошки, из которых прессованием получают несиловые и электроизоляционные детали: рукоятки, детали приборов и др.

Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату.

Пластмассы с порошковыми наполнителями широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и др.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

Волокниты применяют для деталей общего технического назначения с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающим на изгиб и кручение.

Асбоволокниты обладают повышенной теплостойкостью (свыше 200ºС) и ударопрочностью, устойчивостью к кислым средам и высокими фрикционными свойствами. Асбоволокниты используются в качестве материала тормозных устройств (колодки, накладки, диски подъемных кранов, вагонов, автомобилей и др.); из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

Стекловолокниты получают продавливанием расплавленной стекломассы через фильеры. В качестве наполнителя применяют непрерывное стекловолокно или короткое волокно. Обладают хорошими прочностными характеристиками. Используются для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов).

Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс по назначению подразделяют на электротехнический и декоративный, который может иметь различные цвета и текстуру, имитирующую древесные породы. Пластик можно применять при температуре 120 - 140ºС. Он устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов; используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.

Текстолит. Среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. Текстолит применяют для зубчатых колес. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10 – 15 раз дольше бронзовых. Однако рабочая температура текстолитовых подшипников невысока (80 - 90ºС). Они применяются в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др.

Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно-формальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные металлы и сплавы. Недостатком ДСП является чувствительность к влаге. Из ДСП изготавливают шкивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей, железнодорожных вагонов, лодок и детали текстильных машин.

Асботекстолит является конструкционным, фрикционным термоизоляционным материалом. Обладает высокой теплостойкостью (300ºС) и механической прочностью. Из асботекстолита делают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски и тормозные колодки. Асботекстолит выдерживает кратковременно высокие температуры и поэтому применяется в качестве теплозащитного теплоизоляционного материала.

4.3. Газонаполненные пластмассы.

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Такие пластмассы имеют чрезвычайно малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на две группы:

1. Пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего;

2. Поропласты – губчатые материалы с открытопористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей атмосферой.

Пенопласты получили наиболее широкое применение. Замкнуто–ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Механическая плотность пенопластов невысока и зависит от плотности материала. Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин, контейнеров, приборов, рефрижераторов, труб и т. д. Широкое применение пенопласты получили в строительстве и при производстве труднозатопляемых изделий. Используются в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте и т. д.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов. Материалом для сотопластов служат ткани (стеклянные, кремнеземные, угольные). Сотопласты имеют достаточно высокие теплоизоляционные свойства. Они служат легкими заполнителями многослойных панелей, применяемых в авиа- и судостроении для несущих конструкций; при создании наружной теплозащиты и теплоизоляции космических кораблей; в антенных обтекателях самолетов и др.