Основные виды металлических конструкционных материалов
К ним относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам.
- Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали чугуны (содержащие Fe>50%) в их составе вредные (сера и фосфор) и полезные (марганец и ) смеси
- Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, магний, цинк и др.
- Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина, палладий, осмий.
-Редкоземельные металлы, н-р празеодим.
Неметаллические материалы.
- Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров с наполнителями.
- керамические материалы. Основой этих материалов порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов
- металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, кот. Является связкой и обеспечивает такие свойства как пластичность и вязкость.
- стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксид кремния SiO2.
- резина. Это материалы на основе каучука – углеводородного полимера с добавлением серы и других элементов
Композиционные материалы.
Представляют собой композиции полученные искусственным путем, из двух и более разнородных материалов, сильно отличающихся друг от друга. В результате, композиции существенно отличаются по свойствам от компонентов их составляющих, т.е. полученный материал имеет новый комплекс свойств. В состав могут входить как металлы так и неметаллы. Удельная доля применения в технике этих материалов различна. Наиболее широко примняютс металлические материалы (95%).
Характеристика кристаллического строения ме. Все твердые тела делятся на : кристаллически , аморфные
Металлы имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется закономерным расположением атомов в пространстве и образованием кристаллической решетки. Наименьшая часть объема крист.реш., которая определяет ее систему, называется элементарной кристаллической ячейкой.
-гранецентрированная (ГЦК) – Fe, Cr, W, V, Mo и др
-объемноцентрированная кубическая (ОЦК) Fe, Cu, AL, Ni, Au и др
-гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) Zn, Mg, Cd и др
- тетрагональная решетка – полуается при растягивании куба вдоль одной оси. Такая решетка может быть и ОЦК И ГЦК (Fe,радий)
У некоторых металлов крист.реш. может измняться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Это может вызвать изменение свойств. Характерно для Fe, Ti, Sn, C…
Металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение.
Что такое зерна ме и сплавов. Металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Он обычно имеют неправильную форму. Каждое из этих зрен имеет свою ориентировку кристаллической решеткой, отличающуюся от соседних.
От чего зависит количество вакансий в металлах и чему способствует? Вакансии – это отсутствие атома в узле крист.реш. сообщает атомам подвижность. Атомы перемещеются в процессе диффузии и самодиффузии. Число вакансий увеличивается с повышением температуры.
Скопление вакансий может привести к образованию пустот и пор.
От чего зависит плотность дислокаций и к чему они приводят? Дислокация – это особая конфигурация расположения атомов в крист.реш.
После отжига плотность дислокаций составляет 10 3 -10 8 см 2
После холодной деформации плотность дислокаций увеличивается до 10 11 -10 12
Повышение плотности увеличивает прочность.
Потность дилокаций в кристалле оказывает решающее влияние на прочностные характеристики кристалла.
Реальные не деформированные кристаллы имеют плотность дислокаций 10 6 -10 7 см -2 а деформированные 10 10 -10 12 см -2 .
Основные характеристики механических св. ме. -прочность
Прочность – способность металла сопротивляться деформации и разрушению.(см основные харак-ки прочности)
Пластичность – способность металла изменять форму и размеры без нарушения сплошности. (см основные харак-ки пластичности)
Твердость металлов – это сопротивление вдавливанию в его поверхность специального инструмента в виде шарика, конуса, а также сопротивление царапанию.
- метод измерения микротвердости
Дать характеристику твердости ме. Твердость металлов – это сопротивление вдавливанию в его поверхность специального инструмента в виде шарика, конуса, а также сопротивление царапанию.
Методы: по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу, метод измерения микротвердости
Твердость по Бриннелю (НВ) – определяют вдавливанием в поверхность металла стальной закаленный шарик.
Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: обычно пользуются шариками стандартных размеров диаметрами в 10мм, 5мм или 2,5мм.
Твердость по Роквеллу – определяют вдавливанием в поверхность алмазного конуса с углом при вершине 120 0 или стального закаленного шарика, диаметром 1,5875мм.
Шкала С служит для испытания твердых материалов, имеющих твердость по Бриннелю от 230 до 700 кгс/мм 2 . Алмазный конус вдавливается под нагрузкой 150кгс. Интервал измерения твердости по шкале С – от 22 до 68 едениц, твердость обозначается НRC.
Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев (0,5…1,0). Применяют тот же алмазный конус но вдавливают под нагрузкой в 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С но обозначают HRA. Интервал измерения твердости по этой шкале от 70 до 85 единиц.
Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твердость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм 2 . Стальной шарик диаметром 1,5875 вдавливается под нагрузкой в 100 кгс. Твердость измеряется в пределах от 25 до 100 едениц шкалы В и обозначается HRB.
Преимущества: быстрота измерений, возможность измерять твердость закаленных сталей и др. мягкихматериалов и очень тонких изделий.
Метод измерения микротвердости предназначен для определения твердости структурных составляющих и фаз в металлах и очень тонких поверхностных слоев и покрытий. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н.
Метод измерения микротвердости аналогичен методу Виккерса.
Твердость по Виккерсу.Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды(угол 136), в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки .
Нагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс).
Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах).
Что такое полиморфизм? Полиморфи́зм криста́ллов (от др.-греч. πολύμορφος «многообразный») — способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями (их принято обозначать греческими буквами α, β, γ и т. д.)
Характерен для различных классов веществ. Полиморфизм для простых веществ называют аллотропией.
Полиморфизм объясняется тем, что одни и те же атомы вещества могут образовывать различные устойчивые кристаллические решётки, соответствующие минимумам на поверхности энергии Гиббса. Стабильной модификации отвечает глобальный минимум, метастабильным — локальные минимумы. При повышении температуры более прочная кристаллическая решётка низкотемпературной модификации может характеризоваться меньшей энтропией за счёт того, что она менее восприимчива к возбуждению тепловых колебаний, поэтому другая модификация, характеризующаяся более крутой зависимостью энергии Гиббса от температуры, становится более выгодной.
При заданных условиях (температура, давление и др.) одна из модификаций является термодинамически стабильной, другие — метастабильными. При изменении условий может оказаться стабильной другая модификация. Условия, при которых стабильна каждая из модификаций, изображаются на фазовой диаграмме соответствующего вещества. Переход из метастабильной модификации в стабильную, выгодный термодинамически, не всегда можно наблюдать на практике, так как он зачастую связан с кинетическими затруднениями. Примером является алмаз, полиморфная модификация углерода, которая при нормальных условиях метастабильна, но существует неограниченно долго. Это объясняется тем, что для перестройки кристаллической решётки требуется преодолеть энергетический барьер. Во многих случаях удаётся закалить высокотемпературную модификацию до комнатной температуры. Не удаётся закалить высокотемпературную фазу в случае мартенситных превращений, характеризующихся бездиффузионным переходом.
Дайте определение теоретической температуре кристаллизации. Температура Тs, при которой свободная энергия металла в твердом и жидком состоянии одинакова, называется теоретической температурой кристаллизации. При этой температуре жидкость и кристаллы находятся в равновесии, поэтому металл одновременно находится и в жидком и в твердом агрегатном состоянии.
Какие чугуны называют белыми? Белый чугун – чугун, в котором углерод находится в виде химического соединения с железом Fe3C – цементита. Получают белый чугун при ускоренном охлаждении в процессе отливки деталей, заготовок. Способствует также получению этой разновидности чугуна повышенной содержание в нем хрома, марганца. Структура белого чугуна определяет его механические свойства: это твердый хрупкий материал. Вследствие низкой пластичности, белый чугун применяется очень редко, в основном для изделий, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного износа, когда его повышенная хрупкость не играет решающей роли.
Какие чугуны называют серыми? как они маркируются? Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержнием углерода от 2,14 до 6%.
Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений – серый, ковкий, высокопрочный.
В сером чугуне содержится графит в виде пластинчатых включений. Его получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении. Например, СЧ12 (предел прочности 12кг/мм 2 ). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки и т.д.
Какие чугуны называются ковкими? Как они маркируются? Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита. Его получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 градусов и после определенной выдержки медленно охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых идут цифры, показывающие предел прочности при растяжении в кг/мм2 – первая цифра, и относительное удлинение в %. Например КЧ30-6 (пред.проч.=30, отн.удл.=6). Применяется этот чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях – при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например картеры редукторов, разлиные крюки, фланцы и т.д.
Какие чугуны называются высокопрочными? Как они маркируются?Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении sв (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ 40 (dв = 40 кг/мм 2 ). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.
Что такое фазовая перекристаллизация? ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, отжиг второго рода - термическая обработка сплавов, заключающаяся в нагреве выше температур фазового превращения и охлаждения с малой скоростью. Фазовая перекристаллизация приводит сплав к фазовому составу, соответствующему равновесному состоянию.ОТЖИГ II РОДА – (фазовая перекристаллизация) [annealing for phase recrystallization] — отжиг, при котором приближение металлов и сплавов к равновесному состоянию, обусловленному диффузионными фазовыми превращениями. В большинстве случаев отжиг II рода — подготовительная термическая обработка отливок, поковок, проката. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, получаемыми после литья, ковки и прокатки. В некоторых случаях (например, для крупных отливок) отжиг является окончательной термической обработкой. Различают следующие виды отжига II рода: полный, неполный и изотермический.
Что такое термическая обработка стали? Термическая обработка является основным способом изменния структуры и свойств стали. Цель любого процесса термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с определенной скоростью вызвать желаемое изменение структуры металла или сплава и, соответственно, изменение свойств. Следовательно, основными факторами воздействия при термической обработке являются температура, время выдержки и скорость последующего охлаждения. В практике машиностроения различают первичную и вторичную термическую обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к последующим операциям механической и окончательной термической обработки. К этому виду обработки относятся различные виды отжига и нормализации. Назначение вторичной (окончательной) обработки – получение необходимых эксплуатационных свойств деталей и изделий. К окончательной термической обработке относятся закалка и отпуск.
Что такое отжиг и нормализация?О́ТЖИГ, вид термической обработки материалов, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении.
Отжигом называют термообработку, направленную на получение равновесной структуры.
Различают 2 два вида отжига:
- отжиг 1-го рода – в процессе отжига не происходит фазовой перекристаллизации;
- отжиг 2-го рода - осуществляется с фазовой перекристаллизацией
Нормализация- разновидность отжига, при которой изделие нагревается до аустенитного состояния.
Что такое мартенсит?пересыщенный тв р-р С в тетроганальной решетке альфа железа.
Что такое химико- термическая обработка(ХТО)?Процесс изменения химического состава структуры и свойств поверхностного слоя стали под действием нагрева и окр.среды определенного состава, вызывающих диффузионное насыщение этого слоя атомами насыщенного элемента.
Расскажите об алюминии и его сплавах. Алюминий- легкий ме серебристого цвета с температурой плавления 660.гранецентрированная кубическая решетка. Тв 20-25 НВ. имеет огромное значение в промышленности из-за высокой пластичности, большой тепло и электропроводности, слабой коррозии, т.к. образующая на поверхности пленка Al2O3 защищает металл от окисления. Из него изготавливают разного типа провода, применяют в электроаппаратуре.
Как конструкционный материал алюминий чаще всего применяется в сплавах со следующими легирующими элементами: Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn, Ti, Si, Cr, которые формируют упрочняющие зоны и фазы.
Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости.
Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые (получают
лист, трубы, профиль, паковки, штамповки) и литейные – для фасонного литья.
Что такое материаловедение? наука о внутреннем строении и свойствах технических материалов, возможности их изменения в нужном направлении для целенаправленного использования в технике.
Какие материалы называют конструкционными? Материалы, из которых изготовляются детали машин, конструкций, сооружений, работающих под нагрузкой. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.
Расскажите о металлических конструкционных сплавах.Все металла и их сплавы. черные ме( это железо и сплавы на его основе- стали и чугуны(содержание железа >=50%))в сплавы содержат углерод, полезные и вредные(фосфор и сера) примесей. цветные ме – ме из сплава меди, алюминия, цинка, Ti, Mg и др.благородные ме: золото. Серебро, платина, ме платиновой группы(палладий, осмий).редкоземельные ме: лантан, неодим, празеодим.
Какие материалы используются в машиностроении?
Не все материалы пригодны ля изготовления машиностроительных изделий. Например, гранит характеризуется высокой твёрдостью, но чрезвычайно сложен в обработке, а керамика обладает повышенной хрупкостью. Материалы в машиностроении – это вещества искусственного или естественного происхождения, которые способны обрабатываться любыми способами без нарушения своей целостности.
Металлы и сплавы, используемые в машиностроении
Материалы, которые находят применение в качестве сырья для любого вида строительства или производства организованным способом инженерного применения, известны как инженерные материалы. Например, компьютер, соковыжималка, станок или ручка, которые мы используем, производятся с помощью контролируемых инженерных процессов. При этом используются такие материалы, как разнообразные пластмассы, медь, алюминий, олово и т. д.
Всё, что мы используем в повседневной жизни, может быть адаптировано для использования в конкретных случаях. Это можно сделать эффективно, если нам заранее известны свойства каждого материала. Таким образом, любое вещество тщательно тестируется на предмет характерных ему свойств, после чего может быть отнесено к одной из следующих групп:
- металлы;
- неметаллы;
- полимеры;
- нановещества;
- композиты.
По совокупным свойствам представителей этих групп можно узнать о сферах их целесообразной применимости. Преобладающее положение в этой структуре занимают металлы – чёрные и цветные, а также их сплавы.
Металлы обычно характеризуются чётко выраженной кристаллической структурой и связаны между собой характерными связями, устойчивость которых поддерживается электронным облаком. Оно, в частности, определяет высокую электро- и теплопроводность, блеск, твёрдость и, в большинстве случаев – высокую пластичность.
Чугун
Чугун - это сплав железа с углеродом, при содержании последнего в металлической матрице свыше 2,14 %. Кроме углерода, в чугуне содержится также 1…3% кремния и ряд второстепенных элементов. Чугун также можно модифицировать путём легирования небольшими количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия и титана, которые добавляются в исходное сырьё перед литьём.
В зависимости от содержания кремния в чугуне он подразделяется на белый или серый чугун, а также ковкий чугун, который отличается повышенной механической обрабатываемостью.
Широкое применение чугуна обусловлено его отличными литейными характеристиками и дешевизной. Кроме того, свойства чугуна можно легко изменить, регулируя состав и скорость охлаждения без значительных изменений в технологии производства.
Чугун имеет ряд преимуществ перед обычной сталью, среди которых:
- простота обработки;
- виброустойчивость;
- стойкость против коррозии;
- прочность на сжатие.
Для увеличения коррозионной стойкости чугун легируют кремнием, никелем, хромом, молибденом и медью.
Машиностроительные материалы на основе серого чугуна используются при изготовлении блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, массивных маховиков, картеров коробок передач, трубопроводов, роторов дисковых тормозов, кухонной посуды.
Из белого чугуна производят шламовые насосы, шаровые мельницы, подъемные штанги, экструзионные форсунки, миксеры для цемента, фитинги, фланцы, дробилки и пр. Благодаря хорошему пределу прочности на разрыв, вязкости и пластичности ковкий чугун используется для изготовления электрической арматуры и оборудования, ручных инструментов, шайб, кронштейнов, сельскохозяйственного оборудования, оборудования для горнодобывающей промышленности и т.п.
Сталь
Сталь - общий термин для большого семейства железоуглеродистых сплавов, которые являются пластичными в определённом температурном диапазоне сразу после затвердевания из расплавленного состояния.
Основное сырье, используемое в сталеплавильном производстве, - это железная руда, уголь и известняк. Эти материалы в доменной печи превращаются в продукт, называемый «чушковым чугуном». Он содержит значительные количества углерода, марганца, серы, фосфора и кремния, а потому, хотя и твёрд, но также и весьма хрупок, что делает его непригодным для прямой переработки готовую продукцию.
Сталеплавильное производство - это процесс рафинирования передельного чугуна, а также чугунного лома путём удаления нежелательных элементов из расплава.
Первичной реакцией в большинстве сталеплавильных производств является соединение углерода с кислородом с образованием газа. Если растворённый кислород не удалить из расплава, то газообразные продукты продолжат выделяться во время затвердевания. Чтобы избежать этого, сталь раскисляют добавляя необходимые раскисляющие элементы. Тогда газ не выделяется, и такую сталь называют спокойной. Соответственно при неполном раскислении стали называют полуспокойными. Степень раскисления влияет на некоторые свойства стали.
Помимо кислорода жидкая сталь содержит соизмеримые количества растворённого водорода и азота. Для некоторых марок сталей могут использоваться специальные методы раскисления, а также вакуумная обработка, уменьшающие количество и состав растворённых газов.
Стали также содержат различные количества других элементов, в основном марганец (который действует как раскислитель и облегчает обработку), кремний, фосфор и серу. Последние два химических элемента считаются примесями, и их количество при выплавке ограничивают.
Все марки сталей отличаются отличными литейными характеристиками и деформируемостью. Поэтому технология машиностроения, материалы в которой изучаются наиболее тщательно, считает сталь наиболее универсальным продуктом.
Твердые сплавы
Твёрдые сплавы - это металлические композиции на основе Fe, Ni или Co, которые содержат до 50 % твёрдой фазы. Это делает их идеальными для изготовления изделий, которые подвергаются значительным эксплуатационным нагрузкам, например, рабочих деталей металлорежущего и штампового инструмента.
Твёрдые сплавы получают методами порошковой металлургии, что позволяет в широких пределах изменять гранулометрический состав и фракционирование конечного продукта.
Алюминий и алюминиевые сплавы
Уникальное сочетание свойств делает алюминий и его сплавы одним из самых универсальных инженерных и строительных материалов. Простое перечисление эксплуатационных характеристик впечатляют: лёгкость, прочность, коррозионная стойкость, нетоксичность.
Алюминий и его сплавы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, а также высокой отражательной способностью для тепла и света. Данные металлы пластичны и легко принимают широкий спектр отделки поверхности.
Прочность чистого алюминия относительно невысока, поэтому для отвественных применений используют сплавы алюминия с марганцем, цинком, медью и кремнием, а также упрочняют полуфабрикат в процессе его пластической деформации или термообработки.
Другие металлы
Из остальных металлов применение в машиностроении находят:
- Медь и её сплавы (электротехническое и электронное машиностроение).
- Свинец (атомная энергетика).
- Олово (точное приборостроение).
- Хром, никель, молибден (производство нержавеющих сталей, энергетическое машиностроение).
- Титан (аэрокосмическая промышленность).
- Вольфрам (оборонная промышленность).
В качестве легирующих добавок используют также ванадий, ниобий, кобальт и ряд других металлов.
Неметаллические материалы в машиностроении
В основном, используются искусственно созданные композиции, например, полимеры. Они аморфны по природе, поэтому не имеют кристаллической структуры, отличаются низкой теплопроводностью, являются диэлектриками.
Полимеры термостойки и эластичны, при высокой молекулярной массе имеют низкую плотность. Находят применение в электротехнике, машиностроительных узлах, действующих в условиях повышенного трения, при производстве приборов.
Из материалов естественного происхождения необходимо выделить слюду, которая широко используется в радиоприборостроении.
Важно: все материалы, применяемые в машиностроении, должны отвечать экологическим нормам.
Классификация металлических конструкционных
Технология конструкционных материалов. Металлические конструкционные материал, определение их механических свойств: методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 для студентов очной и заочной формы обучения всех направлений подготовки. - 3-е изд. испр. и доп. - Брянск: БГТУ, 2017. - 21 с. Методические указания публикуются в авторской редакции.
Разработал: Е.В. Ковалева
канд. техн. наук, доц.
Рекомендовано кафедрой "Триботехническое материаловедение и технологии материалов" БГТУ (протокол № 2 от 28.04.17г.)
Печатается по изданию: Технологические процессы машиностроительного производства. Технология конструкционных материалов. Металлические конструкционные материал, определение их механических свойств: методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 для студентов всех форм обучения и специальностей. - Брянск: БГТУ, 2008.
Методические указания публикуются в авторской редакции.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы - изучение классификаций металлических конструкционных материалов, обозначения марок конструкционных материалов, нашедших наибольшее применение в машиностроении, их основных свойств.
Задачами работы являются:
1. Освоение основных понятий и определений, относящихся к конструкционным материалам.
2. Изучение видов классификаций по разным признакам.
3. Изучение особенностей в обозначении марок сплавов одинакового химического состава, отличающихся по технологическому исполнению и качеству.
4. Получение практических навыков определения твердости основных видов металлических конструкционных материалов, их прочностных и пластических свойств.
Лабораторная работа является практической частью раздела "Конструкционные материалы, их классификация и свойства" дисциплин "Технология конструкционных материалов" и «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Лабораторная работа предусматривает самостоятельное выполнение каждым студентом индивидуального задания.
Продолжительность работы - 2 часа.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Конструкционные материалы - это металлические, неметаллические и композиционные материалы, обладающие комплексом свойств, позволяющих использовать их для изготовления деталей машин, механизмов и сооружений.
Основные свойства металлических конструкционных
Материалов
При выборе материалов для деталей машин конструктор прежде всего учитывает условия их эксплуатации, заданный ресурс времени безотказной работы, технологичность материала и экономическую целесообразность применения. В зависимости от этого конструктор подбирает материал с учетом его механических, физических, химических, технологических и эксплуатационных свойств.
К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, вязкость, упругость, твердость, хрупкость.
Прочность - способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения в следствии пластической деформации.
Деформация- изменение формы и размеров тела под действием внешних сил или в результате процессов, протекающих в самом теле.
Вязкость- способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил. Кроме понятия вязкости в технике и науке используют понятие вязкость разрушения.
Упругость- способность материала восстанавливать форму и размеры тела после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. От упругости зависит жесткость конструкции - способность сопротивляться деформации.
Твердость- способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела, не получающего остаточной деформации при местном контактном воздействии.
Хрупкость- способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.
Физические свойства - это свойства материала, зависящие от внутреннего строения вещества, его атомно-электронной структуры. К физическим свойствам относятся плотность, тепло и электропроводность, коэффициент линейного разрушения, теплоемкость, температура плавления.
Химические свойства материала зависят от химического состава вещества и атомно-электронного строения. Они проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений, химических превращений в зоне контакта сочлененных пар или на поверхности изделия при взаимодействии с агрессивной средой. В результате такого взаимодействия происходит поверхностное окисление металла, насыщение его газами, образование ржавчины и т.п.
Технологические свойства - это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки. К технологическим свойствам относят деформируемость (ковкость), свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом, склонность к термической обработке, литейные свойства. Эти свойства материала позволяют производить формоизменяющую обработку, получать заготовки, а из заготовок - детали машин. Технологические свойства определяются способностью материала заготовки воспринимать воздействие различных методов горячей и холодной обработки с целью формоизменения заготовки или достижения требуемого комплекса свойств.
Ковкость– технологическое свойство металла подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии при наименьшем сопротивлении и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь.
Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств.
Обработка резанием – способность металлов и сплавов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество (шероховатость) обработанной поверхности.
Термическая обработка – способность сплавов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств.
Литейные свойства – определяются способностью материала:
– обладать в расплавленном состоянии технологической жидкотекучестью или способностью заполнять литейную форму и воспроизводить требуемую геометрию и форму литой заготовки (отливки);
– обладать минимальной склонности к ликвации (неоднородное химическое и структурное состояние сплава) в процессе кристаллизации;
– обладать минимальной объемной и (или) линейной усадкой при затвердевании отливки (слитка).
Полная объемная усадка εv включает объемную усадку в жидком состоянии εvж, объемную усадку при затвердевании εvз, и объемную усадку в твердом состоянии εvт
Эксплуатационные (служебные) свойства - это свойства материала, которые проявляются при эксплуатации изделия в различных условиях работы. К эксплуатационным свойствам относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и т.п.
Классификация металлических конструкционных
Классифицируют металлические конструкционные материалы по различным признакам: по технологическому исполнению, по основным эксплуатационным характеристикам и назначению, по виду сплава и т.п. На первом этапе изучения металлов и сплавов важно уметь определить по марке, к какой группе сплавов они относятся и в каком виде поступают и используются (прокат, отливки и т.п.).
По технологическому исполнению металлические конструкционные материалы подразделяют на деформируемые, литейные и спеченные, что находит отражение в обозначении их марок.
По виду сплава различают черные металлы и сплавы цветных металлов. Черные металлы - стали и чугуны.
Конструкционные материалы
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.
- Металлические конструкционные материалы
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 конструкционные материалы
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 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.
Читайте также: