Материаловедение и технология конструкционных материалов.

Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Классификация свойств конструкционных материалов

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

· Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних нагрузок;

· Твердость – это способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии;

· Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения;

· Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения;

· Хрупкость – это способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации.

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

· Свет – это способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны;

· Плотность – это масса единицы объема вещества;

· Температура плавления –

· Электропроводность – это способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток;

· Теплопроводность –переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому;

· Теплоёмктсть - поглощать определенное количество теплоты;

· Магнитные свойства - способность материала хорошо намагничиваться;

· Коэффициент объемного и линейного расширения – характеризует изменение размеров тела при изменении температуры.

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

Литейные свойства; К ней относятся жидкотекучесть -Заполняемость - Объемная усадка - Линейная усадка

· Ковкость— это способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка);

· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);

· Обработка резанием;

· Прокаливаемость;

· Закаливаемость.

4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость, хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.

5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.

· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);

· Жаростойкость (противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);

· Коррозионостойкость (противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды);

· Окисление

Металлические материалы. К ним относятся металлы и сплавы на их основе. Они в свою очередь подразделяются на несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:

Чугуны и стали. К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С. Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4.0 – 4,5 %. содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др.

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%.

Цветные металлы. К цветным металлам, наиболее широко применяемым в технике, относятся медь, алюминий, олово, свинец, цинк, магний, титан и их сплавы. В чистом виде цветные металлы используют редко, в основном их применяют в виде сплавов. Цветные металлы - это наиболее дорогой и ценный технический материал.

Легирующие элементы, входящие в состав цветных металлов и сплавов, обозначают заглавными буквами русского алфавита, например алюминий - А, бериллий - Б, железо - Ж, кремний - К, медь - М и т. д.

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов - процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется. В зависимости от того, насколько глубоко нужно обработать металл или деталь из него, принято выделять поверхностную термообработку (только поверхность) и объемная термообработку (весь объем).

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов:

Отжиг- термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение в печи.

Закалка - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение.

Отпуск - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация- термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге - в печи).

Старение- такой вариант термообработки именуют еще, как дисперсионное твердение. Его проводят с целью получения особенных частиц упрочняющей фазы. Для этого, после проведения отжига металл нагревают до более низких температур и медленно охлаждают.

Сущность литейного производства. Литейное производство есть процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в которых металл затвердевает. Отливки изготовляются преимущественно из чугуна, стали и сплавов цветных металлов.

Существуют три способа заливки форм: а) обычная заливка, когда металл заполняет форму свободно, под действием силы тяжести; б) центробежное литье, когда металл заливают во вращающуюся форму и он распределяется в ней под влиянием центробежной силы; в) литье под воздушным или поршневым давлением с применением специальных машин. Технологический процесс получения отливок в разовых формах складывается из следующих основных операций:

1) приготовление формовочных и стержневых смесей;

2) изготовление стержней и их сушка;

3) формовка по моделям (ручная или машинная) или по шаблону;

4) заливка форм;

5) выбивка и очистка отливок.

Порошковая металлургия – отрасль промышленности, включающая в себя определенный набор способов производства металлических порошков, а также изготовление деталей из этих материалов. Это направление металлургии как способ получения готовых изделий начало активно развиваться около ста лет назад.

Такой способ производства деталей имеет ряд преимуществ, которые позволяют ему вытеснять более дорогие методы обработки металлов: литье, ковку и штамповку. Сырьевой материал (металл) погружается в раскаленную печь. В итоге получается пористая структура материала. детали, изготовленные методом порошковой металлургии, называют металлокерамическими.

Получение металлокерамической детали начинается с изготовления порошков. Порошки бывают разных фракций и различных размеров. Отсюда – различие в способах их производства.

Для формообразования изделий из порошков применяют прессование с применением пресс-форм, прокатку и шликерную формовку.

Формование порошков – подготовительная операция, предваряющая процесс прессования. Включает в себя термообработку, подготовку смеси и дозировку. Повысить свойства пластичности порошков помогает термический отжиг.

Суть процесса прессования заключается в плотном соединении частичек металлического порошка друг с другом. Рабочее давление механического пресса при этом составляет от 1 до 6 тыс. кг на квадратный сантиметр.

Изделия, полученные прессованием, не имеют высоких прочностных характеристик. Поэтому им требуется термообработка, заключающаяся в спекании порошков. Частицы металла в процессе расплавления образуют между собой крепкие межатомные связи, делая деталь однородной по своей структуре.

Стоит отметить, что часто операции прессования и спекания объединены в одну – горячее прессование.

Сварка– технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагревании, пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Исходные заготовки для изготовления сварных конструкций - это прокат (лист, труба, профили), штампованные детали и т.д. Сварная конструкция может иметь очень сложную форму при достаточно простой технологии ее изготовления.

Пайка– это процесс соединения деталей при температуре ниже температуры их плавления путем смачивания их расплавленным припоем, затекания его в зазор и последующей его кристаллизацией.

Припой – это металл или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми поверхностями, имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые материалы и обладающий способностью смачивать паяемые материалы.

Неметаллические материалы. Они также подразделяются на несколько групп:

1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, в основном, с наполнителями;

2. Керамические материалы (керамика). Их основой являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.;

3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость;

4. Стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2;

5. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавле-нием серы и других элементов;

6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных растений.

Композиционные материалы. Они представляют собой материалы, полученные искусственным путем из двух и более различных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция по своим свойствам существенно отличается от свойств составляющих компонентов, т. е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как металлические, так и неметаллические составляющие.