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).

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.

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 σ max и σ min 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:

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 (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (> 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 < 0,07%), но с повышенным количе­ством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени рас­кисления занимают промежуточное по­ложение между спокойными и кипящи­ми.

При классификации стали по структу­ре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном со­стояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструк­ционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные - всех классов.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь - сложный по составу железо­углеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих эле­ментов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных приме­сей, влияющих на ее свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния за­висит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углеродистые конструк­ционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивает­ся пропорционально концентрации угле­рода. В связи с этим, по мере повыше­ния содержания углерода, увеличивают­ся прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали.

Влияние углерода еще более значи­тельно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит вре­менное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере уве­личения содержания углерода и дости­гает максимума при 0,4%С. При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хруп­кого разрушения стали, о чем свиде­тельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механиче­ские свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом рас­творе.

Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его со­держания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали : марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горя­чей обработке давлением. В стали она нахо­дится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов, которые образуют с железом эвтектику, отличаю­щуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зе­рен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в суль­фиды, исключающие образование лег­коплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды, так же как и другие неметаллические вклю­чения (оксиды, нитриды и т. п.), служат кон­центраторами напряжений, снижают пла­стичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положи­тельное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор - вредная примесь. Он растворяет­ся в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в по­вышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладно­ломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызы­ваемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения - повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород - вредные скры­тые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (окси­дами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, сни­жают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, про­является тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кри­сталлической решетке.

Случайные примеси - элементы, попадаю­щие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керчен­ских - мышьяк. Случайные примеси в боль­шинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Среди диаграмм состояния металли­ческих сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко приме­няют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-карбид железа (це­ментит), и стабильная, характеризую­щая превращение в системе железо - графит.

На то, что система железо - графит является более стабильной, чем система железо-цементит, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и гра­фит, т. е. переходит в более стабильное состояние.

Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью.

Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др. Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо, сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.

При конструировании самолетов от конструкционных материалов потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах.

С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах, а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С, выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах (см. Плазмотрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология). Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами, применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы, полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и радиооборудования и др.

Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колес самолетов и автомобилей.

Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы летательных аппаратов используются многослойные конструкции, отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и термической обработки.

В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50- 100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.

Конструкционные материалы, используемые в химическом маши - ностроении, условно делятся на четыре класса:

Цветные металлы и сплавы;

Неметаллические материалы.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содер­жание которого не превышает 1-2%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.

Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

Углеродистые обыкновенного качества;

Углеродистые конструкционные;

Легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зави­симости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1,2, 3,4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех

В табл. 12.1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значитель­но повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок СтЗ, СтЗкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком (15+26%) относительном удлинении.

Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улуч­шает механические свойства сталей, но и приносит значительный эко­номический эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30,40,45, 55, 58 и 60. В зависимос­ти от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, Юкп, Юпс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

В табл. 12.2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.

Таблица 12.2. Углеродистая сталь конструкционная

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жа­ростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

Хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и кор­розионную стойкость, термостойкость;

Никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;

Вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее са­мозакаливание;

Молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;

Марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;

Кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы теку­чести и упругости, кислотостойкость;

Ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при рас­тяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стой­кость к водородной коррозии;

Титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (> 800 °С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

Низколегированные - с содержанием добавок до 3%;

Среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10%;

Высоколегированные - с содержанием добавок > 10%.

В табл. 12.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.

Таблица 12.3. Легированные конструкционные стали Назначение Коррозионностойкие стали для применения в слабоагрессивных средах Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при температуре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации <5% при температуре до 25 °С. Щелочи (аммиак, едкий натр, едкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 °С и концентрации менее 50% Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной стойкостью во влажном воздухе, водопроводной воде, в не­которых органических кислотах, растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 “С Окалиностойкая до 850 °С

Продолжение табл. 12.3 Назначение 10Х14Г14Н4Т, Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17X18Н9, 12Х18Н10Т для оборудования, работающего в слабоагрессивных средах, а также изделий, работающих при повышенных температурах до +400 °С и пониженной температуре до -196 °С Коррозионностойкие стали для сред средней агрессивности Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных конструкций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже -20 °С. Для труб теплообменной аппаратуры. Эксплуати­ровать в интервале температур 400-700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимонной, уксус­ной, щавелевой кислот разных концентраций при темпера­турах не более 100 °С 08X22 Н6Т, 08Х18Г8Н2Т Заменитель сталей 12Х18Н1 ОТ и 08Х18Н1 ОТ Обладает более высокой прочностью, чем эти стали, и используется для изготовления сварной аппаратуры, работающей при темпе­ратуре не выше 300 °С. Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паянных конст­рукций Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, холодной фосфорной и органическим кислотам (за исклю­чением уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влаж­ному воздуху. Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к меж - кристаллитной коррозии Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н 10Т. Например, сталь устойчива к действию 65% азотной кисло­ты при температуре не более 50 °С, к действию концентри­рованной азотной кислоты при температуре не более 20 °С, к большинству растворов солей органических и неорга­нических кислот при разных температурах и концентра­циях Используются в производстве формальдегидных смол Используются в качестве конструкционного материала в производстве пластмасс Для сварных изделий, работающих при криогенных темпе­ратурах до -253 °С Коррозионностойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности 04X18Н10, 03Х18Н11 Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной кислоты и аммиачной селитры

Окончание табл. 12.3 Назначение Для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессивности. Применяется как жаростойкая сталь при температуре до 600 °С 10X171113М2Т, 10Х17Н ПМЗТ, 08Х17Н15МЗТ, 08Х17Н14МЗ, 03X21Н21М4ГБ Для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10%-й уксусной кислоты и в сернокислых средах. Сварные кор­пуса, днища, фланцы и другие детали при температуре от -196 до 600 °С под давлением Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80 °С в условиях производства серной кислоты различных концентраций Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 “С. Едкое кали концентрации до 68% при температуре 120 вС. Азотная кислота концентрации 100% при температуре 70 “С. Соляная кислота, сухой йод концентрации до 10% при температуре до 20 °С

Существенное значение для улучшения качества стали имеет хими­ко-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения се поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.

К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:

Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеро­дом, что улучшает его прочность и твердость;

Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азо­том, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;

Алитирование - процесс диффузионного насыщения поверх­ностного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800-5-1000 °С;

Хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозион­ную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.

Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионно­го слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов ста­ла нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака.

Толщина слоя при этом увеличивается до 1-2 мм и более, возрастает его твердость.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7%, при лом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8-М),9% находится в связанном состоянии в виде цемен­тита (карбида железа - РеС). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:

Чугун серый - в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;

Чугун белый - в структуре которого углерод выделяется в свя­занном состоянии;

Чугун отбеленный - в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;

Чугун половинчатый - в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и ме­таллических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигу­рации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.

Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагре­том состоянии невозможна.

Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе - предел проч­ности на изгиб, например, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.

Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10%). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковко­го чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и вы­сокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилинд­ров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.

Широкое применение в химическом машиностроении имеют ле­гированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и лр.

По суммарному содержанию легирующих добавок чугупы делят на три группы:

Низколегированные - легирующих добавок до 3%;

Среднелегированные - легирующих добавок о г 3 до 10%;

Высоколегированные - легирующих добавок более 10%.

Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и

Придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, мо­либдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6%) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30% Сг) устойчивы к действию азот­ной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4% (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.

Цветные металлы и их сплавы. Цветные металлы и их сплавы при­меняют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных мате­риалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.

Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена обра­зованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохра­няющей его ог дальнейшего окисления. Механические свойства алю­миния в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3-3,5 раза, а на сжатие - в

5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.

Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнат­ной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинка - томпак; до 20% - полутомпак; более 20% - константаны, манганины и др.).

Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, осо­бенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничи­вают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с ис­пользованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).

Никель - обладает высокой коррозионной стойкостью в поде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и темперагурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к дейст­вию азотной кислоты. Широко применяется в различных отраслях тех­ники, главным образом для получения жаропрочных сплавов и спла­вов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повы­шенной коррозионной стойкостью.

Никедьхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окисли­тельных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и же­леза стойкие в неокислитсльных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.

Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азот­ной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8-10 раз дороже изделий из хромоникеле­вых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей.

Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколе­гированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Неметаллические конструкционные материалы. Применение в хими­ческом машиностроении неметаллических конструкционных матери­алов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.

Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодер­жащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.

Углеграфитовые материалы ~ графит, пропитанный фенолфор - мальдегидной смолой, или графитопласт, - прессованная пластмасса на основе фснолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.

Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специ­альные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалиро­ванные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 °С при давлениях до 0,6 МПа.

Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Кера - мические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубо­проводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транс­портировки серной и соляной кислот.

Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в про­изводствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.

Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устой­чивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключени­ем азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интер­вале температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.

Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обла­дающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 °С.

Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:

Полиэтилен - температура от -60 до +60 “С, давление до 1 МПа;

Полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до

Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 СС и дав­лении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том чис­ле серной (концентрацией до 50%), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50%), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.

Текстолит - по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30%), соляной (до 20%),

Фосфорной (до 25%), уксусной (всех концентраций). Верхний темпе­ратурный предел применения текстолита 80 °С.

Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки ка­менноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенол - форматьдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др.

Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопро­водной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концент­рации), плавиковой (концентрацией до 40%), серной (до 50%), соля­ной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитан­ного графита стойки к действию щелочей.

Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетониро­вания дниш башенного оборудования сернокислотного производства, дня изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 °С. В последнее время находят применение поли­мербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бен­зола, толуола и фторсодержащих сред.

Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хри­зотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к дейст­вию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механи­ческими свойствами и широко используются в качестве конструкци­онных теплоизоляционных и футеровочных материалов.

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

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.

При этом:

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.

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:

механические;

технологические;

эксплуатационные.

К механическим свойствам относятся:

прочность;

упругость;

пластичность;

твердость;

ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и долговечность конструкции.

Прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется 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 0 и рабочей (расчетной) длиной l о 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 Р упр;

равномерной пластической деформации от Р упр до Р мах;

и сосредоточенной пластической деформации от Р мах до Р к.

Если образец нагрузить в пределах Р упр, 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 Пуассона μ = 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 Р упр появляетсяостаточная (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 Р мах в 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 отР мах до Р к, и при нагрузке Р к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая ∆l ост остается.

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 0 , определяют основные характеристики прочности материала:

σ пц = Р пц /S 0 - предел пропорциональности; σ уп = Р уп /S 0 - предел упругости; σ т = Р т /S 0 - предел текучести; σ в = Р мах /S 0 - предел прочности или временной сопротивление; σ к = Р к /S 0 - 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.

Пластичность характеризуется относительным удлинениеми относительным сужением:

где l 0 ,S 0 - начальные длина и площадь поперечного сечения образца;l k ,S k - 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.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р 0 (100 н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечникаhпод нагрузкойP.

Твердость по Виккерсу определяется 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 вязкость характеризует 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:

литейные свойства;

деформируемость;

свариваемость;

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 свойства характеризуют 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.

Конструкционные материалы – это материалы, на основе которых изготавливают детали для машин, инженерных сооружений и конструкций. Они в ходе работы неоднократно будут подвергаться механическим нагрузкам. Такие детали характеризуются большим разнообразием не только форменным, но и эксплуатационным. Их применяют в разных отраслях промышленности, с их помощью делают промышленные печи, детали для автомобилей, их используют в авиационной сфере. Задача производителя выполнить конструкционную деталь, готовую работать при разных температурах, в разных средах и с достаточно интенсивными нагрузками. Главным отличием продукции от остальных дополнений конструкций является их готовность долговременно принимать на себя максимальные нагрузки.

Виды, типы, классификации

Ввиду того что металлы являются практически самыми надежными и долговечными составляющими, конструкционные материалы изготавливаются в большей степени из них. Поэтому КМ классифицируются и распознаются по материалу, из которого были изготовлены. Зачастую из металлов предпочитают сталь из-за ее прочности, надежности и легкости в обработке.

За основу материалов берут сплавы, выполненные из стали, чугуна и железа. Данный вид имеет хорошую прочность, детали и элементы используются чаще других. Также используют сплавы с магнитными и немагнитными формами. Применяются цветные и не цветные сочетания металлов. Зачастую это алюминий, но в некоторых деталях возможно использование сплавов на его основе. Сплавы используют в том случае, когда деталь нужно деформировать и преобразовывать неоднократно. Из цветных также используют медь (бронзу), титан.

Неметаллические материалы стали использоваться гораздо позднее предыдущей группы. Развитие технологий помогло создать более дешевую альтернативу. При этом неметаллы также прочны и надежны. Неметаллические конструкционные материалы изготавливают из древесины, керамики, стекла и разных видов резины.

• Композиционные материалы

Композиционные материалы состоят из элементов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. Они позволяют создавать конструкции с заранее определенными характеристиками. Материалы применяют для повышения эффективности. Название состава задается материалом матрицы. Такие материалы все имеют основу. Композиты, имеющие металлическую матрицу – металлические, керамическую – керамические и так далее. Они созданы искусственным путем, материал, который получают на выходе, имеет новый комплекс свойств. Композиционные материалы могут включать в себя как металлические, так и с неметаллические составляющие.

Существует еще одна классификация, позволяющая распознать какой именно необходим материал для выполнения выбранной задачи – это разбор на виды по техническим критериям.

• Материалы с повышенной прочностью;
• Материалы, имеющие отличительные технологические возможности;
• Долговечные материалы (элементы, на эксплуатацию которых не влияют механические раздражители);
• Упругие конструкционные материалы;
• Неплотные материалы;
• Материалы устойчивые к природным воздействиям;
• Материалы, имеющие высокую прочность.

Сферы применения

Использование конструкционных материалов приходится на любую сферу, связанную со строением и производством. Наиболее широкий спектр в использовании получили электроэнергетическая, строительная и машиностроительная отрасли. Именно здесь собрание конструкций является первой частью для созидания большого проекта.

Группы	Материалы	Сфера применения	Мех. свойства
Металлические конструкционные материалы	Бронза	Для получения фасонных отливок, втулок, подшипников, зубчатых колес и шестерен.	Высокая прочность на сжатие и фрикционные нагрузки, не окисляется.
	Инструментальная сталь	Для изготовления мерительных инструментов, режущих частей и мерных шаблонов.	Прочная, тяжелая, не окисляется, водостойкая.
	Титан	Ответственные детали в сфере авиации, ракетостроения и медицине.	Легкий, водостойкий, токопроводящий.
Неметаллические конструкционные материалы	Резина	Уплотняющие элементы любых конструкций, изоляторы от напряжения, герметизация, гибкие детали в сфере автомобилестроения, медицины, ракетостроения.	Низкая плотность при высокой упругости. Устойчивость к химическим и термическим воздействиям.
	Пластмассы	Широкое применение для изготовления изделий народного хозяйства, автомобилестроения, пищевой, авиационной, строительной промышленностей.	Низкая плотность и хорошая прочность. Низкая температура плавления. Устойчивость к химическим воздействиям.
	Азбест	Производство труб, покрытия домов, огнеупорных тканей и уплотнителей.	Низкая прочность при ударе. Устойчивость к природным воздействиям и химическим.
	Керамика	Изготовление посуды, изделий для туалета и ванной. Изготовление моделей и сувениров. Отдельные виды используются для изготовления ножей и режущего инструмента.	Высокая плотность, хрупкость, устойчивость к коррозии. Низкая упругость. Устойчивость к стиранию.
		Производство бронежилетов, армирующего слоя автомобильных шин, защитного слоя кабелей, экипировка для космонавтов, мотоциклистов, пожарников.	Высокая прочность, гибкость и низкая плотность. Устойчивость к химическому и механическому воздействию.
Композиционные материалы	Фанера	Мебельное производство, отделка помещений, сборно-щитовые конструкции в строительстве	Низкая плотность при высокой прочности. Простота обработки
	Бетон	Строительство самых разнообразных домов и конструкций.	Высокая прочность на сжатие. Большая плотность.
	Стеклопластик	Изготовление корпусов лодок и катеров. Обвеска автомобиля и диэлектрические детали. Корпуса бассейнов и декоративных изделий.	Высокая прочность и низкая плотность. Низкая пластичность.