Министерство общего и профессионального
образования РФ
Оренбургский государственный университет
Кафедра материаловедения и технологии материалов
Реферат на тему
Свойства машиностроительных
материалов
Выполнил: Баженов А.В., группа 96АТПи П
Проверил: Богодухов С.И.
Оренбург, 1998
Содержание
Раздел I
1. Конструкционные стали и сплавы.
1.1. Углеродистые конструкционные стали.
1.2.Легированные конструкционные стали.
1.3. Строительные низкоуглеродистые стали.
1.4. Арматурные стали.
1.5. Стали для холодной штамповки.
1.6. Конструкционные (машиностроительные)цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали.
1.7. Конструкционные (машиностроительные) улучшаемыелегированные стали.
1.8. Стали с повышенной обрабатываемостью резанием.
1.9. Мартенситно-стареющие высокопрочные стали.
1.10. Высокопрочные стали с высокой пластичностью(ТРИП- или ПНП-стали)
1.11. Рессорно-пружинные стали общего назначения.
1.12. Шарикоподшипниковые стали.
1.13. Износостойкие стали.
1.14. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали исплавы.
1.15. Криогенные стали.
1.16. Жаропрочные стали и сплавы.
2. Инструментальные стали и твердые сплавы.
2.1. Стали для режущего инструмента.
2.2. Стали для измерительного инструмента.
2.3. Стали для штампов холодного деформирования.
2.4. Стали для штампов горячего деформирования.
2.5. Твердые сплавы.
3. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.
3.1. Магнитные стали и сплавы.
3.2. Металлические стекла (амфорные сплавы).
3.3. Стали и сплавы с высоким электрическимсопротивлением для нагревательных элементов.
3.4. Сплавы с заданным температурным коэффициентомлинейного расширения.
3.5. Сплавы с эффектом “памяти формы”.
4. Тугоплавкие металлы и их сплавы.
5. Титан и сплавы на его основе.
5.1. Титан.
5.2. Сплавы на основе титана.
6. Алюминий и сплавы на его основе.
6.1. Алюминий.
6.2. Классификация алюминиевых сплавов.
6.3. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термическойобработкой.
6.4. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемыетермической обработкой.
6.5. Литейные алюминиевые сплавы.
7. Магний и сплавы на его основе.
7.1. Магний.
7.2. Сплавы на основе магния.
8. Медь и сплавы на ее основе.
8.1. Медь.
8.2. Сплавы на основе меди.
9. Антифрикционные (подшипниковые)сплавы на оловянной, свинцовой, цинковой и алюминиевой основах.
10. Композиционные материалы с металлической матрицей.
11. Конструкционные порошковые материалы.
Раздел II
1. Общие сведения о неметаллических материалах.
1.1. Особенности свойств полимерных материалов.
2. Пластические массы.
2.1. Состав, свойства пластмасс.
2.2. Термопластичные пластмассы.
2.3. Термореактивные пластмассы.
2.4. Газонаполненные пластмассы.
3. Композиционные материалы с неметаллическойматрицей.
3.1. Общие сведения, состав.
3.2. Карбоволокниты.
3.3. Бороволокниты.
3.4. Органоволокниты.
4. Резиновые материалы.
4.1. Общие сведение, состав и классификация резин.
4.2. Резины общего назначения.
4.3. Резины специального назначения.
5. Клеящие материалы и герметики.
5.1. Общие сведение, состав пленкообразующихматериалов.
5.2. Конструкционные, смоляные и резиновые клеи.
5.3. Неорганические клеи.
5.4. Герметики.
6. Неорганические материалы.
6.1. Графит.
6.2. Неорганическое стекло.
6.3. Керамические материалы.
I РАЗДЕЛ
Конструкционные стали и сплавы
Конструкционными называютсястали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали),конструкций и сооружений (строительные стали).
Углеродистые конструкционные стали
Углеродистыеконструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества икачественные.
Стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок Ст0, Ст1,Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Ст4 — углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%.
Стали обыкновенногокачества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки,вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большоеколичество неметаллических включений.
С повышением условногономера марки стали возрастает предел прочности (sв) и текучести (s0.2) и снижается пластичность (d,y). Ст3сп имеет sв=380¸490МПа, s0.2=210¸250МПа, d=25¸22%.
Из сталей обыкновенногокачества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки,прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широкоприменяют в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций.
С повышением содержания встали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с болеевысоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций,не подвергаемых сварке.
Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условийв отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Содержание S
Качественные углеродистыестали маркируют цифрами 08, 10, 15,..., 85, которые указывают среднеесодержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистые стали (С
Стали без термическойобработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварныхконструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют посленормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталейво всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистымиимеют более высокую прочность при более низкой пластичности (sв=500¸600МПа, s0.2=300¸360МПа,d =21¸16%). В связи с этим их следует применять дляизготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквознойпрокаливаемости.
Стали с высокимсодержанием углерода (0.6-0.85% С)60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругимисвойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковыешайбы, прокатные валки и т.д.
Легированные конструкционные стали
Легированные стали широкоприменяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильнойпромышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени встанкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это сталиприменяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.
Стали, в которых суммарноеколичество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся книзколегированным, содержащие 2.5-10% — к легированным, и более 10% квысоколегированным (содержание железа более 45%).
Наиболее широкое применениев строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении — легированные стали.
Легированныеконструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры,приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых доляхпроцента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает вконце марки буква ²А².
Строительные низколегированные стали
Низко легированныминазывают стали, содержащие не более 0.22% С и сравнительно небольшое количествонедефицитных легирующих элементов: до 1.8% Mn, до 1,2% Si, до 0,8% Cr и другие.
К этим сталям относятсястали 09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Стали ввиде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве имашиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительнойтермической обработки. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошосвариваются.
Для изготовления труббольшого диаметра применяют сталь 17ГС (s0.2=360МПа, sв=520МПа).
Арматурные стали
Для армированияжелезобетонных конструкций применяют углеродистую или низкоуглеродистую сталь ввиде гладких или периодического профиля стержней.
Сталь Ст5сп2 — sв=50МПа, s0.2=300МПа,d=19%.
Стали для холодной штамповки
Для обеспечения высокойштампуемости отношение sв/s0.2 сталидолжно быть 0.5-0.65 при y не менее 40%. Штампуемость стали тем хуже, чем большев ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость,особенно способность стали к вытяжке. Поэтому для холодной штамповки болеешироко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фкп (0.02-0.04% V) и08Ю (0.02-0.07% Al).
Конструкционные (машиностроительные) цементируемые(нитроцементуемые) легированные стали
Для изготовления деталей,упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали.Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должнообеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.
Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольшихизделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали посравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами принекоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемомслое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.
Сталь 20Х — sв=800МПа, s0.2=650МПа,d=11%, y=40%.
Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%)улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые сталименее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительнонебольших деталей.
Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственногозначения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки.Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированногослоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и несклонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом
Сталь 12Х2Н4А — sв=1150МПа,s0.2=950МПа,d=10%, y=50%.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогиххромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкостьпо сравнению с хромоникелевыми.
В автомобильной итракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.
Сталь 25ХГМ — sв=1200МПв,s0.2=1100МПа,d=10%, y=45%.
Хромомарганцевоникелевыестали. Повышение прокаливаемости ипрочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием ихникелем.
На ВАЗе широко применяютстали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.
После цементации эти сталиимеют высокие механические свойства.
Сталь 15ХГН2ТА — sв=950МПа, s0.2=750МПа,d=11%, y=55%.
Стали, легированныебором. Бор увеличивает прокаливаемостьстали, делает сталь чувствительной к перегреву.
В промышленности длядеталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, атакже сталь 20ХГНР.
Сталь 20ХГНР — sв=1300МПа,s0.2=1200МПа,d=10%, y=09%.
Конструкционные (машиностроительные) улучшаемыелегированные стали
Стали имеют высокий пределтекучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях,работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости идостаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошейпрокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.
При полной прокаливаемости стальимеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению- низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ ивязкость разрушения К1с.
Хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для средненагруженных деталейнебольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, носнижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Сталь 30Х — sв=900МПа, s0.2=700МПа,d=12%, y=45%.
Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем(0.9-1.2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью ипрокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженнуювязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до -60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита принагреве.
Сталь 40ХГТР — sв=1000МПа,s0.2=800МПа,d=11%, y=45%.
Хромокремнемарганцевыестали. Высоким комплексом свойствобладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладаютвысокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют также ввиде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение).Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию принагреве.
Сталь 30ХГС — sв=1100МПа,s0.2=850МПа,d=10%, y=45%.
Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностьюи вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложнойконфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.
Сталь 40ХН — sв=1000МПа,s0.2=800МПа,d=11%, y=45%.
Хромоникелемолибденовыестали. Хромоникелевые стали обладаютсклонностью к обратимой отпускной хрупкостью, для устранения которой многиедетали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле,а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительнолегируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.
Сталь 40ХН2МА — sв=1100МПа,s0.2=950МПа,d=12%, y=50%.
Хромоникелемолибденованадиевыестали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогомхладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостаткамисталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность кобразованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственныхдеталей турбин и компрессорных машин.
Сталь 38ХН3МФА — sв=1200МПа,s0.2=1100МПа,d=12%, y=50%.
Стали с повышенной обрабатываемостью резанием
Наиболее часто применяютавтоматные стали А12, А20, А40, имеющие повышенное содержание серы (0.08-0.3%),фосфора (
Фосфор, повышая твердость,прочность и охрапчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки иполучению высокого качества поверхности.
Стали обладают большойанизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеютпониженный предел выносливости. Поэтому сернистые автоматные стали применяютлишь для изготовления неответственных изделий — преимущественно нормалей илиметизов.
Мартенсито-стареющие высоко прочные стали
Широкое применение втехнике получила высокопрочная мартенсито-стареющая сталь Н18К9М5Т (
Кроме стали Н18К9М5Т нашлиприменение менее легированные мартенсито-стареющие стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т(sв=1400¸1500МПа), Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (sв=1600¸1800МПа), KCU=0.35¸0.6 МДж/м2, s0.2=1800¸2000МПа.Мартенсито-стареющие стали имеют высокий предел упругости s0.002=1500МПа.
Мартенсито-стареющие сталиприменяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, вприборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Эти сталидорогостоящие.
Высокопрочные стали с высокой пластичностью
(ТРИП- или ПНП-стали)
Метастабильныевысокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями или ПНП-сталями. Этистали содержат 8-14% Cr, 8-32%Ni, 0.5-2.5% Mn, 2-6% Mo,до 2% Si (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1).
Механические свойстваПНП-сталей: sв=1500¸1700МПа, s0.2=1400¸1550МПа, d=50¸60%. Характерным для это группы сталей являетсявысокое значение вязкости разрушения и предела выносливости.
Широкому применениюПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использованиямощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах,трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженныхдеталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.
Рессорно-пружинные стали общего назначения
Рессорно-пружинные сталипредназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различногоназначения. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическимдеформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточнойпластичности и вязкости.
Для пружин малого сеченияприменяют углеродистые стали 65, 70,75, 85. Сталь 85 — s0.2=1100МПа,sв=1150МПа,d=8%, y=30%.
Более часто дляизготовления пружин и рессор используют легированные стали.
Стали 60С2ХФА и 65С2ВА,имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность и релаксационную стойкостьприменяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Сталь65С2ВА — s0.2=1700МПа,sв=1900МПа,d=5%, y=20%. Когда упругие элементыработают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем60С2Н2А.
Для изготовленияавтомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническимсвойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуетсясталь 50ХФА, не склонная к перегреву и обезуглероживанию.
Шарикоподшипниковые стали.
Для изготовления телкачения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используютвысокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0.95-1.0% С и 1.3-1.65% Cr),а больших сечений — хромомарганцевую сталь ШХ15СГ (0.95-1.05% С, 0.9-1.2% Cr,0.4-0.65% Si и 1.3-1.65% Mn), прокаливающуюся на большуюглубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлениемконтактной усталости. К сталям предъявляются высокие требования по содержаниюнеметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостноеразрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.
Для изготовления деталейподшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяютцементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой цементации, высокого отпуска,закалки и отпуска детали подшипника из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58-62HRC и в сердцевине 35-45 HRC.
Износостойкие стали
Для деталей, работающих наизнос в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов, применяютвысокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и11,5-14.5% Mn. Она обладает следующими механическими свойствами: s0.2=250¸350МПа, sв=800¸1000МПа, d=35¸45%, y=40¸50%.
Сталь 110Г13Л обладаетвысокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударныхнагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивномизнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали110Г13Л невысокая.
Для изготовления лопастейгидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающихв условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильнымаустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатациичастичное мартенситное превращение.
Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкие стали исплавы. Повышение окалиностойкостидостигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия иликремния, т. е. Элементов, находящихся в твердом растворе и образующих впроцессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr,Fe)2O3, (Al, Fe)2O3.
Для изготовления различногорода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяютжаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13,12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.
Сталь 12Х17 — sв=520МПа, s0.2=350МПа,d=30%, y=75%.
Коррозионно-стойкиестали устойчивы к электрохимическойкоррозии.
Стали 12Х13 и 20Х13применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихсяударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнегообихода), а также изделий, испытывающих действие слабо агрессивных сред(атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот).
Стали 30Х13 и 40Х13используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д.
Стали 15Х25Т и 15Х28используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей,работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударныхнагрузок, при температуре эксплуатации не ниже -20°С.
Сталь 12Х18Н10Т получиланаибольшее распространение для работы в окислительных средах (азотная кислота).
Сталь 12Х13 — sв=750МПа, s0.2=500МПа,d=20%, y=65%.
Коррозионно-стойкиесплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплав 04ХН40МДТЮ предназначен для работы при больших нагрузках врастворах серной кислоты.
Для изготовленияаппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорнойкислоты, применяют никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni-Moимеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.
Для изготовления сварнойаппаратуры, работающей в солянокислых средах, применяют сплав Н70МФ.
Наибольшее распространениеполучил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре,солянокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.
Сталь Н70МФ — sв=950МПа, s0.2=480МПа,d=50%.
Двухслойные стали нашли применение для деталей аппаратуры (корпусоваппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде.Эти стали состоят из основного слоя — низколегированной (09Г2, 16ГС, 12ХМ,10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого плакирующего слоятолщиной 1-6мм из коррозийно-стойких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13) илиникелевых сплавов (ХН16МВ, Н70МФ).
Сталь ХН65МВ — sв=1000МПа,s0.2=600МПа,d=50%.
Криогенные стали
Криогенные стали обладаютдостаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высокимсопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталямнередко предъявляют требования высокой коррозийной стойкости. В качестве криогенныхсталей применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса,несклонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих притемпературе до -196°С, используют стали с 6-7% Ni (ОН6А) и8.5-9.5% Ni (ОН9А), обладающие низким порогом хладноломкости.
Из этих сталей изготовляютцилиндрические или сферические резервуары для хранения и транспортировкисжиженных газов при температуре не ниже -196°С.
Сталь 10Х14Г14Н4Т — sв=620МПа, s0.2=280МПа,d=45%, y=60%.
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочными называют сталии сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течениеопределенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Жаропрочные стали и сплавыприменяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивныхдвигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.
Жаропрочные стали благодаря невысокой стоимости широко применяются ввысокотемпературной технике, их рабочая температура 500-750°С.
Механические свойствасталей перлитного класса (12К, 15К, 18К, 22К, 12Х1МФ): sв=360¸490МПа, s0.2=220¸280МПа, d=24¸19%. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность иниже пластичность.
Стали мартенситного имартенсито-ферритного классов (15Х11МФ, 40Х9С2, 40Х10С2М) применяют для деталейи узлов газовых турбин и паросиловых установок.
Стали аустенитного класса(10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР) предназначены для изготовленияпароперегревателей и турбоприводов силовых установок высокого давления.
Жаропрочные сплавы на никелевой основе находят широкое применение вразличных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовыетурбины, химическое аппаратостроение и т. д.).
Часто используют сплавХН70ВТЮ, обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при700-800°С.
Никелевые сплавы дляповышения их жаростойкости подвергают алитированию.
Инструментальные стали и сплавы
Стали для режущего инструмента
Углеродистые сталинебольшой прокаливаемости, необладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У8, У10,У11, У12, У13 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеютнебольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментовнебольших размеров.
Стали У10, У11, У12, У13применяют для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, шабера, напильникии т. д.). Для деревообрабатывающего инструмента применяют стали У7 и У8.
Стали можно использовать вкачестве режущего инструмента только для резания с малой скоростью, так как ихвысокая твердость (У10-У12 — 62-63HRC) сильно снижается при нагревевыше 190-200°С.
Легированные сталиповышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью (11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф) пригодны для резанияматериалов невысокой прочности (sв=500¸600МПа) с небольшойскоростью (до 5-8м/мин). Их используют для инструмента, не подвергаемого вработе нагреву свыше 200-250°С. Легированные стали посравнению с углеродистыми обладают большей прокаливаемостью.
Сталь Х — 0.95-1% С,0.15-0.4% Mn, 0.15-0.35% Si, 1.3-1.65% Cr, 64-65HRC.
Быстрорежущие стали (Р6М5, Р12Ф3, Р8М3К6С, Р9, Р8М3, Р8М5) в отличие отдругих инструментальных сталей обладают высокой теплостойкостью исоответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенныхтемпературах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью.
Основным легирующимиэлементами этих сталей являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий.
Сталь Р18 — 0.7-0.8% С,3.8-4.4% Cr, 17.5-19% W, 1-1.4% V, 0.5-1% Mo.
Стали для измерительного инструмента
Они (12Х1, Х) обладаютвысокой твердостью, износостойкостью, сохраняют постоянство размеров и хорошошлифуются. Их твердость составляет 63-64HRC.
Измерительное скобы, шкалы,линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей15, 15Х.
Стали для штампов холодного деформирования
Эти стали (Х12Ф1, Х12М,Х6ВФ, 6Х5В3МФС, 7ХГ2ВМ) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью ипрочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны бытьтеплостойкими.
Во многих случаях дляизготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущиестали.
Сталь 7ХГ2ВМ — 0.68-0.76%С, 1.5-1.8% Cr, 0.1-0.25% V,59-60HRC.
Стали для штампов горячего деформирования
Эти стали (5ХНМ, 5ХНВ,4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ) должны иметь высокие механические свойства(прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью,окалиностойкостью и разгаростойкостью и высокую теплопроводность.
Механические свойства стали5ХНМ при температуре 500°С: sв=900МПа, s0.2=650МПа, d=20-22%, y=70%.
Твердые сплавы
Твердыми называют сплавы(ВК3, ВК6, ВК10, Т30К4, Т15К6, Т5К12, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9), изготовленныеметодом порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой.
Сплав ВК8 применяют длячернового точения и других видов черновой обработки, а также для волочения,калибровки труб, прутков и проволоки. Сплавы ВК10, ВК15 предназначены дляизготовления быстроизнашивающихся деталей. Титановольфрамовые сплавы применяютдля чистового (Т30К4) и чернового (Т15К6, Т5К10) точения, фрезерования истрогания стали, твердость сплавов 92-87HRC.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
Магнитные стали и сплавы
Магнито-твердые стали исплавы применяют для изготовленияпостоянных магнитов.
Для постоянных магнитовприменяют высокоуглеродистые стали с 1% С, легированные хромом (3%) ЕХ3, атакже одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легирующие элементыповышают коэрцитивную и магнитную энергию
В промышленности наиболеешироко применяют сплавы типа алнико. Сплавы тверды, хрупки и не поддаютсядеформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем, затем проводятшлифование.
Сплав ЮНДК15 содержит 18-19% Ni, 8.5-9.5% Al, 14-15% Co, 3-4% Cu.
Магнито-мягкие стали (электротехническая сталь) (1212, 1311, 1511, 2011,2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяют для изготовлениямагнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены дляизготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоровасинхронных двигателей и др.
Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2,40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судостроении испециальных областях техники.
Недостатки этих сталейнизкий предел текучести (150-350МПа), что затрудняет их использование длявысоко нагруженных деталей машин.
Металлические стекла (аморфные сплавы)
Аморфные сплавы нередкохрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могутподвергаться холодной прокатке.
Магнито-мягкие аморфныесплавы делятся на три основные группы:
1. на основе железа (Fe81Si3.5B13.5C2) с высокими значениями магнитной индукции и низкойкоэрцитивной силой;
2. на основе кобальта (Co66Fe4(Mo, Si, B)30), имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения,но высокие механические свойства, низкую коэрцитивную силу и высокое значениемагнитной проницаемости;
3. железоникелевые сплавы (Fe40Ni40P14B6)со средними значениями магнитной индукциии более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов.
Магнито-мягкие аморфныесплавы применяют в электротехнике и электронной промышленности.
Сплавы с заданным температурным коэффициентом
линейного расширения
Широко применяются вмашиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni,у которых коэффициент линейного расширения a при температурах-100 до 100°С с увеличением содержания никеля до 36% резкоуменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. Притемпературе 600-700°С такого явления не наблюдается и коэффициент линейногорасширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняетсяпереходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значениетемпературного коэффициента линейного расширения связано с влияниемферромагнитных эффектов.
Для изготовления деталей,спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы18ХТФ и 18ХМТФ.
Сплавы с эффектом “памяти формы”
Эти сплавы послепластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическуюформу или в результате нагрева (эффект “памяти формы”), или непосредственнопосле снятия нагрузки (сверхупругость).
В настоящее время известнобольшое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситнымпревращением, обладающих в разной степени свойствами “памяти формы”: Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Al-Ni и др.
Наиболее широко применяютсплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие названиенитинол. Эффект “памяти формы” в соединении NiTi можетповторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью(sв=770¸1100МПа, sт=300¸500МПа), пластичностью (d=100¸15%), коррозийной и кавитационной стойкостью идемпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующийматериал во многих ответственных конструкциях.
Тугоплавкие металлы и их сплавы
Наибольшее значение втехнике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Ta и W.
Их применяют пристроительстве ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлыкоторых работают при температуре до 1500-2000°С.
Тугоплавкие металлы и ихсплавы используют в основном как жаропрочные.
Молибден, вольфрам и хромобладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению.Ниобий и тантал — высокопластичные материалы и хорошо свариваются.
Сплав на основе ниобия ВН2А- t=1200°C, sв=850МПа.
Сплав на основе молибденаЦМ3 — t=1200°С, sв=500МПа, s100=180МПа.
Сплав на основе вольфрамаВВ2 — t=1200С°, sв=130МПа, s100=80МПа.
Титан и сплавы на его основе
Титан
Титан — металл серогоцвета. Температура плавления титана (1668±5)°С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882°С существует a-титан (плотность 4.505г/см3), которыйкристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а=0.2951нм и с=0.4684нм(с/м=1.587), а при более высоких температурах — b-титан (при900°С плотность 4.32г/см3), имеющий решетку,период которой а=0.3282нм. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00,ВЕ1-0.
Сплавы на основе титана
Сплавы на основе титанаполучили значительно большее применение, чем технический титан. Легированиетитана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V,Si повышает его прочность (sв, s0.2), ноодновременно снижает пластичность (dy) и вязкость (KCU).Жаропрочность повышают Al, Zr,Mo, а коррозийную стойкость в растворахкислот — Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность.Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние наполиморфные превращения титана.
Сплав ВТ14 (Al — 5.5%, V — 1.2%, Mo — 3.0%) — sв=900-1050МПа,d=10%, KCU=0.5МДж/м2, s-1=400МПа.
Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий
Алюминий — металлсеребристо-белого цвета. Температура плавления 600°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с периодом а=0.4041нм.Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность — 2.7г/см3против 7.8г/см3 для железа и 8.94г/см3 для меди. Алюминийобладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрическойпроводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты:А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al),А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al).
Технический алюминийизготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатови маркируют АДО и АД1.
Классификация алюминиевых сплавов
Наибольшее распространениеполучили сплавы Al-Cu, Al-Si,Al-Mg, Al-Cu-Mg и другие.
Все сплавы алюминия можноразделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов,плит, прутков и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки,прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонноголитья.
Сплавы алюминия, обладаяхорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокойкоррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкостинашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и другихотраслях народного хозяйства.
Деформируемые алюминиевые сплавы,
упрочняемые термической обработкой
Дуралюмины. Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg,в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплавД1.
Марганец повышает стойкостьдуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т,повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.
Дуралюмин, изготовляемый влистах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонкимслоем алюминия высокой чистоты.
Из сплава Д16 изготовляютобшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы,строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.
Сплав Д16 — s0.2=400МПа,sв=540МПа, d=11%.
Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, нообладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиальудовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) исваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостьюкоррозии, но склонен к межкристаллической.
Из сплава АВ изготовляютразличные полуфабрикаты (листы, трубы и т.д.), используемые для элементовконструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов,кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокаяпластичность в холодном и горячем состояниях.
Сплав АВ — s0.2=200МПа,sв=260МПа, d=15%.
Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550-700МПа, нопри меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочныхалюминиевых сплавов является сплав В95.
При увеличении содержанияцинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийнаястойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость.Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легкодеформируются в холодном состоянии после отжига. Сплав В95хорощо обрабатываетсярезанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении длянагруженных конструкций, работающих длительное время при t
Сплав В95 — s0.2=530-550МПа,sв=560-600МПа,d=8%.
Сплавы для ковки иштамповки. Сплавы этого типаотличаются высокой пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами,позволяющими получить качественные слитки.
Сплав АК6 используют длядеталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокойпластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженныхштампованных деталей.
Сплав АК8 — s0.2=300МПа,sв=480МПа, d=10%.
Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих притемпературе до 300°С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химическийсостав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируютжелезом, никелем и титаном.
Сплав Д20 — s0.2=250МПа,sв=400МПа, d=12%.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые
термической обработкой
К этим сплавам относятсясплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается врезультате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.
Сплавы легко обрабатываютсядавлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью.Обработка резанием затруднена.
Сплавы (АМц, АМг2, АМг3)применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшиенагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.
Сплав АМг3 — sв=220МПа, s0.2=110МПа,d=20%.
Литейные алюминиевые сплавы
Сплавы для фасонного литьядолжны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малойсклонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошимимеханическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.
Сплавы Al-Si(силумины). Отличаютсявысокими литейными свойствами, а отливки — большой плотностью. Сплавы Al-Si(АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектовможно производить газовой и аргонодуговой сваркой.
Сплав АЛ9 — sв=200МПа, s0.2=140МПа,d=5%.
Сплавы Al-Cu.Эти сплавы(АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства принормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейныесвойства низкие.
Сплав АЛ7 используют дляотливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению.
Сплав АЛ7 — sв=240МПа,s0.2=160МПа,d=7%.
Сплавы Al-Mg.Имеютнизкие литейные свойства. Характерной особенностью этих сплавов являетсяхорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства иобрабатываемость резанием.
Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 иАЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, всудостроении и авиации.
Сплав АЛ8 — sв=350МПа, s0.2=170МПа,d=10%.
Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которогоизготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие притемпературе 275-300°С.
Сплав АЛ1 — sв=260МПа, s0.2=200МПа,d=0.6%.
Магний и сплавы на его основе
Магний
Магний — металлсветло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность(1.74г/см3). Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний выпускаюттрех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого магния: sв=115МПа, s0.2=25МПа,d=8%, 30НВ. На воздухе магний легко воспламеняется.Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.
Сплавы на основе магния
Сплавы магния обладаютмалой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, чтоопределило их широкое использование в авиационной и ракетной технике. Однакосплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43000МПа и плохосопротивляются коррозии.
Литейные сплавы. Широко применяется сплав МЛ5, в котором сочетаютсявысокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженныхкрупногабаритных отливок.
Сплав МЛ6 обладает лучшимилитейными свойствами, чем МЛ5, и предназначается для изготовлениятяжелонагруженных деталей.
Сплав МЛ5 — sв=226МПа, s0.2=85МПа,d=5%.
Деформируемые сплавы. Эти сплавы изготовляют в виде горячекатаных прутков,полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок.
Сплав МА1 обладаетсравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью икоррозионной стойкостью.
Сплав МА2-1 обладаетдостаточно высокими механическими свойствами, хорошей свариваемостью, однакосклонен к коррозии под напряжением, поддается всем видам листовой штамповки илегко прокатывается.
Сплав МА1 — sв=190-220МПа,s0.2=120-140МПа,d=5-10%.
Медь и сплавы на ее основе
Медь
Медь — металл красного, визломе розового цвета. Температура плавления 1083°С.Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8.94г/см3. Медь обладаетвысокими электропроводимостью и электропроводимостью. В зависимости от чистотымедь изготавливают следующих марок: М00, М0, М1, М2, М3. Присутствующие в медипримеси оказывают большое влияние на ее свойства.
Медь хорошо сопротивляетсякоррозии, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокиелитейные свойства из-за большой усадки.
Сплавы на основе меди
Различают две основные группымедных сплавов: 1) латуни — сплавы меди с цинком; 2) бронзы — сплавы меди сдругими элементами. Медные сплавы обладают высокими механическими итехническими свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и износу.
Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентныесплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.
Когда требуется высокаяпластичность, повышенная теплоотводность применяют латуни с высоким содержаниеммеди (Л06 и Л90). Латуни Л62, Л60, Л59 с большим содержанием цинка обладаютболее высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хужесопротивляются коррозии.
Латунь ЛЦ40С — sв=215МПа, d=12%, 70НВ.
Оловянные бронзы. Обладают хорошими литейными свойствами и применяютсядля литья деталей сложной формы. Недостатком отливок из оловянных бронзявляется большая микропористость. Их часто применяют для изготовленияантифрикционных деталей.
Бронза БрО3Ц12С5 — sв=200МПа, d=5%.
Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловянной,свинцовой, цинковой и алюминиевой основе.
Эти сплавы применяют длязаливки вкладышей подшипников скольжения. Они должны иметь достаточнуютвердость, но не очень высокую, сравнительно легко деформироваться под влияниемместных напряжений, иметь малый коэффициент трения между валом и подшипником.
Кроме того, температураплавления этих сплавов не должна быть высокой, и сплавы должны обладать хорошейтеплопроводностью и устойчивостью к коррозии.
Оловянные и свинцовыебаббиты. Оловянные баббиты используютв подшипниках турбин крупных судовых дизелей, турбонасосов, турбокомпрессоров,электрических и других тяжелонагруженных машин. Свинцовые баббиты применяют дляменее нагруженных подшипников.
Баббиты имеют небольшуюпрочность sв=60¸120МПа.
Цинковые иантифрикционные сплавы. Чащеприменяют сплавы ЦАМ 10-5 и ЦАМ 9.5-1.5, содержащие кроме алюминия и меди0.03-0.06% Mg. В литом виде сплавы применяют для монометаллическихвкладышей, втулок и т.д.; сплав ЦАМ 10-5 применяется и для отливкибиметаллических изделий со стальным корпусом.
Алюминиевыеантифрикционные (подшипниковые) сплавы.Чем больше в сплавы олова, тем выше его антифрикционные свойства.
Сплавы АО3-1 и АО9-2применяют для литья монометаллических вкладышей м втулок толщиной более 10мм.Сплавы АО20-1 и АН-2.5 предназначаются для получения биметаллической ленты состалью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей. Подшипники изсплава АН-2.5 можно изготовлять и литьем.
Композиционные материалы с металлической матрицей
Композиционные материалысостоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и ихсплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы)тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле(дисперсно-упрочненные материалы).
Волокнистыекомпозиционные материалы.Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов высокими значениямивременного сопротивления и предела выносливости (на 50-100%), модуля упругости,коэффициента жесткости (Е/g) и пониженной склонностью ктрещинообразованию. Применение этих материалов повышает жесткость конструкцийпри одновременном снижении ее металлоемкости.
Композиционный материалбор-алюминий (ВКА-1А) — sв=1300МПа,s-1=60МПа,Е=220Гпа, sв/g=500, Е/g=84.6.
Дисперсно-упрочненныекомпозиционные материалы. В отличиеот волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционныхматериалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсныечастицы тормозят движение в ней дислокаций.
Композиционные материалыприменяются в авиации, в космической технике, в горной промышленности, вгражданском строительстве и в других областях народного хозяйства.
Конструкционные порошковые материалы
Порошковыми называютматериалы, изготовляемые путем прессования металлических порошков в изделиянеобходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий ввакууме или защитной атмосфере при температуре 0.75-0.8Тпл.
Антифрикционные порошковыесплавы имеют низкий коэффициент трения, легко обрабатываются, выдерживаютзначительные нагрузки и имеют хорошую износостойкость. Наибольшее применениеполучил материал ФМК-11.
Сплавы на основе цветныхматериалов (АЛП-2, АЛПД-2-4, БрПБ-2, ЛП58Г2-2 и др.) применяют вприборостроении и электронной технике.
Применение порошковыхматериалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы,малых массе и размеров.
I I РАЗДЕЛ
Общие сведения о неметаллических материалах
К неметаллическимматериалам относятся полимерные материалы органические и неорганические:различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллическойоснове, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а такжеграфит, стекло, керамика.
Такие их свойства, какдостаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности,светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают этиматериалы часто незаменимыми. Они находят все большее применение в различныхотраслях машиностроения.
Основой неметаллическихматериалов являются полимеры, главным образом синтетические.
Пластические массы
Пластмассами называютискусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующихвеществ.
Состав и свойства пластмасс
Обязательным компонентомпластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинствапластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.
Другим важным компонентомпластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другиевещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку припрессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.
Свойства пластмасс зависятот состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, чтопозволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.
Термопластичные пластмассы
В основе термопластичныхпластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в составполимеров вводят пластификаторы.
Неполярныетермопластичные пластмассы. К нимотносятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.
Полиэтилен — продукт полимеризации бесцветного газа этилена,относящийся к кристаллизующимся полимерам.
Чем выше плотность икристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Онхимически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном изизвестных растворителей. Недостаток его подверженность старению.
При меняют для изготовлениятруб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.
Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичныйматериал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропиленподвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокаяморозостойкость (от -10 до -20°С.
Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер.Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензине.Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованиютрещин.
Из полистиролаизготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для водыи многое другое.
Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером.Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей ирастворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.
Применяют для изготовлениятруб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет идр.
Полярные термопластичныепластмассы.
Фторопласт-3 — полимер трифторхлортилена. Его используют какнизкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги,клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.
Органическое стекло — этопрозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой иметакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол,отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостаткиневысокая поверхностная твердость.
Применяют для изготовленияштампов, литейных моделей и абразивного инструмента.
Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошиеэлектроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживаютгорение, атмосферостойки., имеют высокую прочность и упругость.
Изготавливают трубы, деталивентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.
Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиямикапрон, нейлон, анид и др. Они продолжительное время могут работать наистирание, ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам,бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях.
Из них изготавливаютшестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.
Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых приполучении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными идаже термореактивными.
Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в России выпускается подназванием лавсан, за рубежом — майлар, терилен. Из лавсана изготавливаютшестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.
Термостойкие пластики.
Ароматический полиамид — фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники,зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.
Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическимиполимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями.Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов.
Термореактивные пластмассы
Пластмассы с порошковымнаполнителями (волокниты,асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композициииз волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанногофенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталейработающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест,связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорныеаппараты, ванны и трубы.
Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики,асботесолит) являются силовыми конструкционными о поделочными материалами.Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают ввиде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получаютразличные детали.
Газонаполненные пластмассы
Представляют собойгетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз.
Пенопласты — материалы с ячеистой структурой, в которых газообразныенаполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоямиполимерного связующего. Обладают хорошей плавучестью и высокимитеплоизоляционными свойствами.
Применяют длятеплоизоляционных кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов,труб и т.п. Мягкие и эластичные пенопласты применяют для амортизаторов, мягкихсиденей, губок.
Сотопласты Изготавливают из тонких листовых материалов. Для ниххарактерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства ирадиопрозрачность.
Применяют в видезаполнителей многослойных панелей в авиа- и судостроении для несущихконструкций.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Карбоволокниты
Карбоволокниты представляютсобой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителейв виде углеродных волокон (карбоволокон). Они сохраняют прочность при оченьвысоких температурах, а также при низких температурах.
Эпоксифенольныекарбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте могутдлительно работать при температуре до 200°С.
Карбоволокниты отличаютсявысоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химическистойкие.
КМУ-1л — плотность 1.4т/м3,удельная жесткость 8.6*103км, ударная вязкость 50кДж/м2.
Бороволокниты
Они представляют собойкомпозиции полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон. Отличаютсявысокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью,теплопроводностью и электропроводимостью.
Бороволокниты КМБ-1 иКМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С.
Изделия из бороволокнитаприменяют в авиационной технике.
КМБ-1к — плотность 2.0т/м3,удельная жесткость 10.7*103км, ударная вязкость 78кДж/м2.
Органоволокниты
Представляют собойкомпозиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей ввиде синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажномтропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводностьнизкая.
Органоволокниты применяют вкачестве изоляционного и конструкционного материала вэлектрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из нихизготовляют трубы, емкости.
Резиновые материалы
Общие сведения
Резиной называется продуктспециальной обработки (вулканизации) каучука и серы с различными добавками.
Резина отличается от другихматериалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку — главному исходному материалу резины. Для резиновых материалов характернавысокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическаястойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.
Резины общего назначения
К группе резин общегоназначения относятся вулканизаторы неполярных каучуков — НК, СКБ, СКС, СКИ.
НК — натуральный каучук.Для получения резины НК вулканизируют серой. Резины на основе НК отличаютсявысокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокимиэлектроизоляционными свойствами.
НК — плотность каучука910-920кг/м3, предел прочности 24-34МПа, относительное удлинение600-800%, рабочая температура 80-130°С.
СКБ — синтетическийкаучук бутадиеновый. Каучуки вулканизируют аналогично натуральному каучуку.
СКБ — плотность каучука900-920кг/м3, предел прочности 13-16МПа, относительное удлинение500-600%, рабочая температура 80-150°С.
СКС — бутадиенстирольныйкаучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) — это самый распространенный каучук общегоназначения.
СКС — плотность каучука919-920кг/м3, предел прочности 19-32МПа, относительное удлинение500-800%, рабочая температура 80-130°С.
СКИ — синтетическийкаучук изопреновый. Из этих резин изготавливают шины, ремни, рукава,различные резинотехнические изделия.
СКИ — плотность каучука910-920кг/м3, предел прочности 31.5МПа, относительное удлинение600-800%, рабочая температура 130°С.
Резины специального назначения
Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового, СКН итиокола.
Наирит, резины на его основе обладают высокой эластичностью,вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива и масел.
Наитрит — плотность каучука1225кг/м3, предел прочности 20-26.5МПа, относительное удлинение450-550%, рабочая температура 100-130°С.
СКН -бутадиеновый каучук(СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе применяют для изготовленияремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий.
СКН — плотность каучука943-986кг/м3, предел прочности 22-33МПа, относительное удлинение450-700%, рабочая температура 100-177°С.
Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.
СКТ — синтетическийкаучук теплостйкий. В растворителях и маслах он набухает, имеет низкуюмеханическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляетсяистиранию.
СКТ — плотность каучука1700-2000кг/м3, предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение360%, рабочая температура 250-325°С.
Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкиетемпературы стеклования.
Существует еще рядразличных видов резин специального назначения.
Клеящиеся материалы и герметики
Общие сведения
Клеи и герметики относятсяк пленкообразующим материалам и имеют много общего с ними.
Эти растворы или расплавыполимеров, а также неорганические вещества, которые наносятся на какую-либоповерхность. После высыхания образуют прочные пленки, хорошо прилипающие кразличным материалам.
Конструкционные смоляные и резиновые клеи
Смоляные клеи. В качестве пленкообразующих веществ этой группы клеевприменяют термореактивные смолы, которые отверждаются в присутствиикатализаторов и отвердителей при нормальной или повышенной температуре.
Клеи на основе модифицированныхфенолоформальдегидных смол. Эти клеиприменяют преимущественно для склеивания металлических силовых элементов,конструкций из стеклопластика.
Фенолокаучуковые композиции являются эластичными теплостойкимипленками с высокой адгезией к металлам (ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др.).
Полиуретановые клеи. Композиции могут быть холодного и горячегоотверждения. Клеи обладают универсальной адгезией, хорошей вибростойкостью ипрочностью при неравномерном отрыве, стойкостью к нефтяным топливам и маслам.
Помимо этих видов клевсуществует множество других.
Неорганические клеи
Эти клеи являютсявысокотемпературными.
Керамические клеи являются тонкими суспензиями оксидов щелочныхметаллов в воде. Такие клеи наносятся на склеиваемые поверхности, подсушиваются,а затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентови выдерживаются в течение 15-20мин.
Силикатные клеи. Жидкое стекло обладает клеящей способностью, имможно склеивать стекло, керамику, стекло с металлом.
Герметики
Герметики применяют дляуплотнения и герметизации клепанных, сварных и болтовых соединений, топливныхотсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агрегатов.
Тиоколовые герметики применяют в авиационной и автомобильнойпромышленности, в судостроении, для строительной техники. У них высокая адгезияк металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам.
Эпоксидные герметики могут быть холодного и горячего отверждения; работаютв условиях тропической влажности, при вибрационных и ударных нагрузках;применяются для герметизации металлических и стеклопластиковых изделий.
Неорганические материалы
Графит
Графит является одной изаллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материалкристаллического пластинчатого строения.
Графит не плавится приатмосферном давлении. Графит встречается в природе, а также получаетсяискусственным путем.
Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Его наносят в видепокрытия на различные материалы с целью защиты их от воздействия высоких температур.
Пирографит — объемная масса1950-2200кг/м3, пористость 1.5%, модуль упругости 112/70ГПа.
Неорганическое стекло
Неорганическое стеклоследует рассматривать как особого вида затвердевший раствор — сложной расплаввысокой вязкости кислотных и основных оксидов.
Механические свойствастекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500-2000МПа), низкимпределом прочности при растяжении (30-90МПа) и изгибе (50-150МПа). Болеевысокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.
Керамические материалы
Керамика неорганическийматериал, получаемый отформованных масс в процессе высокотемпературного обжига.
Керамика на основечистых оксидов. Оксидная керамикаобладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяженииили изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры. Сповышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистыхоксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.
Бескислородная керамика. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивлениеокислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900-1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживатьтемпературу 1300-1700°С (на поверхности образуется пленка кремнезема).
Литература
1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.:²Машиностроение², 1990
2. Под редакцией С.И. Богодухова, В.А Бондаренко. Технологические процессымашиностроительного производства. Оренбург, ОГУ, 1996