Реферат на тему конструкційні матеріали

Обновлено: 08.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы, являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы, относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой Конструкционные материалы, стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к Конструкционные материалы, стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к Конструкционные материалы, (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению — с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением Конструкционные материалы, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию — малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Общие сведения о конструкционных материалах

Конструкционные материалы, подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы Конструкционные материалы, в свою очередь,

Свременные конструкционные материалы.docx

Современные конструкционные материалы, характеристика, свойства, области применения.

Наибольшее распространение имеют стали и чугуны.

- по химическому составу: углеродистые (система Fe-C). Простые углеродистые стали имеют низкие механические свойства. Повысить механические характеристики и свойства углеродистых сталей можно разработкой широкого ассортимента сплавов – такими сплавами являются легированные стали. Их получают посредством добавления к углеродистым сталям различных легирующих элементов.

Введение этих элементов дает возможность получить стали с высокими механическими характеристиками, придать им специальные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость и др.).

- По содержанию легирующих компонентов (при выплавке вводят легирующие компоненты: Cr, Ti, Mn, Mo и др.) стали подразделяются на:

Низколегированные – до 2,5 % легирующих компонентов;

Седнелегированные – 2,5 – 10% легирующих компонентов;

Высоколегированные – свыше 10% легирующих компонентов.

- По степени чистоты:

Стали средней чистоты – 99,0 – 99,9% Fe;

Стали повышенной чистоты – 99,9 – 99,99% Fe;

Стали высокой чистоты – 99,99 и выше Fe.

- По способу производства:

- По назначению:

конструкционные – обыкновенного качества, углеродистые и качественные;

инструментальные – углеродистые, легированные;

специальные – углеродистые, низкоуглеродистые серофосфористые стали;

легированные – коррозионно-стойкие (хрома не менее 12%), жаростойкие (хром, кремний, алюминий); жаропрочные.

Чугуны. Чугун – сплав железа с углеродом (2-4,5%) и другими элементами.

Чугуны подразделяются на: белый – Fe₃C; серый, с содержанием кремния до 4 %; высокопрочные чугуны (получают из серого путем модифицирования его магнием или цезием). Их используют для отливок коленчатых валов, зубчатых колес и др. Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной.

Если в высокопрочный чугун ввести небольшое количество никеля, хрома, молибдена и других элементов, получится легированный чугун, обладающий более высокой прочностью, износостойкостью, жаропрочностью.

Широкое применение в качестве конструкционных материалов нашли сплавы меди, алюминия, титана и других металлов.

Сплав меди с цинком называется латунью. Применяют латуни с содержанием цинка до 45%. Латунь с содержанием цинка 42-45% обладает максимальной прочностью, а с содержанием 30-32% цинка – наибольшей пластичностью.

Добавки к латуням никеля, железа, алюминия способствуют повышению их механических свойств, коррозионной стойкости. Латунь дешевле меди, а механическая прочность – выше.

Бронзы – сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Используют для изготовления вкладышей подшипников, шестерен и других деталей приборов. Одним из наиболее легких конструкционных материалов является алюминий. Он обладает высокой тепло- и электропроводностью, теплоемкостью, высокой пластичностью, но низкими механическими свойствами. В чистом виде широко используется в электропромышленности. В машиностроении применяют сплавы алюминия. Наиболее известны дюралюмины – Au-Cu-Mg, силумины – Al-кремний.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, хромом, оловом, молибденом и др. Сплавы титана обладают высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, обшивки подводных лодок и др.

Для изготовления режущего и бурового инструмента, обладающего высокой твердостью, достаточной прочностью, в современной промышленности используют твердые сплавы. Состоят они из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных металлической связкой (кобальт, реже никель).

Твердые сплавы превосходят инструментальные стали по твердости, стойкости и коррозии, но уступают им в прочности на изгиб, являются хрупкими. Важным свойством твердых сплавов является обеспечение твердости и режущих свойств инструмента при высоких температурах, возникающих в процессе обработки металлов (900-1000 0 С). Это свойство дает возможность повысить скорость резания при обработке металлов в 5-8 раз по сравнению со скоростями резания для инструмента из быстрорежущих сталей.

В промышленности нашли применение очень твердые материалы на основе кубического нитрида бора (боразон, эльбор). На их основе создан сплав гексанит. Твердость этого сплава превышает твердость алмаза, а температура, которую он выдерживает, достигает 1930 0 С. При работе резцом из гексанита производительность труда повышается в 10 раз.

Кроме металлокерамических твердых сплавов используют минералокерамические материалы. Они состоят из зерен оксидов металлов или синтетических минералов, соединенных синтетическим стеклом. Из наиболее употребляемых следует назвать микролит. Для его изготовления употребляют корунд (кристаллический оксид алюминия) с добавками оксида магния. Микролиты обладают большой химической стойкостью, твердостью, красностойкостью, но очень хрупки. Хрупкость и низкая прочность ограничивают область их применения. Они эффективно используются для обработки изделий из цветных металлов с небольшими глубинами резания, для чистовой обработки стальных и чугунных изделий.

В последнее время нашли применение керамико-металлические материалы (керметы). Их получают обработкой смеси керамических порошков с металлическими методами порошковой металлургии. Металлической связкой в керметах служат порошки никеля, железа, кобальта, хрома. Для работы при температуре 450-630 0 С используют сплавы на основе Al₂O₃ (оксида алюминия), при температуре не выше 1000 0 С – применяют керметы на основе карбида титана, при более высоких температурах – композиции на основе карбидов бора и кремния.

Керметы на основе боридов переходных материалов (борметы) отличаются высокой жаропрочностью. Они используются для изготовления деталей ракетных двигателей.

Широко применяют в промышленности магнитные, пористые и контактные материалы, полученные методами порошковой металлургии.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Композиционные материалы(КМ) – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей.

В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее ) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители ). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Композитные материалы, представляющие собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. КМ является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу.

При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают. Например, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и прочее.

Матрица является важнейшим компонентом композита. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих нитей, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части волокна.

Требования, предъявляемые к матрице, можно разделить на эксплуатационные и технологические.

К эксплуатационным относятся: физико-механические и физико химические свойства, температура эксплуатации, стойкость к окружающей среде или среде эксплуатации.

Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, нагружении композита в направлениях, отличных от ориентации волокон, и циклических нагружениях.

Технологические требования определяют метод изготовления изделий из композитов, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, параметры технологических процессов, способы входного и технологического контроля, получение предматериала (пре-преги, премиксы, пресс-материалы, слопреги) и сроки сохранения их технологичности; конструкционные элементы (профили, трубы, листы, объемные заготовки) и способы их переработки в изделия (склеиванием, сплавлением, спеканием, сваркой, механической обработкой и т.д.).

В качестве матричного материала используется широкий спектр различных веществ, часто материал матрицы имеет ту же природу, что и армирующий материал, например, углеродная, керамическая, металлическая матрицы. Это позволяет создавать материалы с использованием предельно допустимых возможностей, присущих армирующему наполнителю, в первую очередь это касается термостойкости, сочетать конструкционные достоинства материалов с общими достоинствами композитов.

В то же время на сегодняшний день главенствующая роль среди матричного материала принадлежит полимерам. Объем выпуска полимерных композитов намного превосходит выпуск материалов с другими матрицами.

Мир разнообразных конструкций - промышленных, строительных, бытовых - разнообразен и многогранен, но он немыслим без материалов, из которых эти конструкции создаются. Конструкционные материалы содержат небольшое количество неизбежных примесей, образовавшихся естественным путём, причём основная часть примесей присутствует там намеренно.

Что такое конструкционные материалы?

Они отвечают трём требованиям – имеют определённую структуру и уровень свойств, а также пригодны для изготовления каких-либо изделий. Вещества, имеющие жидкую или пастообразную консистенцию, в эту группу не входят.

Большинство материалов для конструкций производятся искусственным способом из специально обработанных или подготовленных составляющих. Некоторые материалы являются веществами природного происхождения, основные свойства которых при обычной обработке не изменяются.

Разновидности конструкционных материалов

Основные конструкционные материалы подразделяют на металлические и неметаллические. Первая группа включает в себя чёрные (сталь, чугун) и цветные металлы и сплавы. Вторая более разнообразна: туда входят:

механические композиты (бетон, цемент);
древесина;
природный камень;
пластмассы, которые могут существовать в виде изомеров – атомов, соединённых между собой разными видами химических связей.

К отдельной группе относят химические композиты, в структуре которых одновременно присутствуют атомы металлов и неметаллов. Достижения современного материаловедения ежегодно приводят к созданию принципиально новых типов конструкционных материалов. Свойства композитов зависят от устойчивости соединения нескольких природных или искусственных веществ, которые получены в определённых условиях. Каждый из конструкционных материалов имеет определённые свойства, соответственно которым устанавливаются области его рационального применения.

Из чёрных металлов и сплавов главнейшее значение имеет сталь и её сплав с графитом – чугун. В качестве цветных металлов наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Они востребованы практически во всех отраслях промышленного производства, аграрном деле, строительстве, связи.

Типовым представителем механических композитов считается бетон, состоящий из смеси цемента, таких заполнителей, как песок, гравий или щебень, а также воды. Параметры бетона зависят от соотношений, используемых при расчете смеси. Поэтому поставщики бетона обычно предоставляют свойства материала и результаты испытаний для каждого конкретного случая.

Древесина считается конструкционным материалом, если потребительские свойства позволяют использовать её для производства компактной, долговечной продукции. Например, деревья-кустарники, хотя и имеют структуру древесины, могут использоваться только в качестве сырья для лесохимической или целлюлозно-бумажной промышленности.

Природные камни – граниты, базальт, кварц, представляют собой вещества магматического происхождения, образовавшиеся много тысячелетий тому назад вследствие извержения пород из недр Земли с их последующим застыванием. Возможна механическая (резание, шлифовка) или термохимическая (литьё) обработка природного камня.

Пластмассы – обширный класс искусственных веществ, которые создаются в результате контролируемого прохождения химических реакций. Номенклатура применяемых пластиков обширна и ежегодно пополняется новыми представителями.

Рассмотрим классификацию конструкционных материалов более подробно.

Металлические

Включают материалы, полученные переработкой руд чёрных и цветных металлов. Самородные структуры – золото, железо, свинец – в первичном виде не используются, поскольку не обладают теми потребительскими характеристиками, которые необходимы для долговечного применения.

Ведущее место среди металлов принадлежит стали – сплаву железа с не более чем 2% углерода. Особенностями стали являются:

достаточно широкий диапазон марок;
возможность видоизменять характеристики под воздействием температуры;
доступность добычи исходного сырья;
способность к вторичной переработке.

Большинство металлических материалов может проявлять интерметаллидные свойства, образуя новые многокомпонентные соединения.

Поскольку все виды конструкционных материалов тверды, прочны и сохраняют свою форму при повышенных температурах (исключение составляют только олово и свинец, которые используются в качестве припоев), то основные области их применения – строительство, промышленность, средства связи, медицина.

Неметаллические

Получаются как природным, так и искусственным способом. Например, образование изделий из камня – это производство, основанное на переработке естественных заготовок. Остальные виды – керамика, дерево, пластик – получены в результате процессов с искусственно полученными веществами (например, с цементом для бетона), либо с природными компонентами (в частности, для изготовления керамики используют глину).

Процессы, которые необходимы для получения неметаллов:

Добыча исходного сырья – руды, древесины, химических соединений, используемых для производства пластических масс и т.д.
Подготовка сырья к переработке. Для неорганических ископаемых сюда входят технологии обогащения, для органических (древесина, пластик) – различные механо-термические превращения.
Получение продукции и её отделка, например, окраска, нанесение декоративных или технологических покрытий.

Конечные показатели материалов органического происхождения могут сильно отличаться от свойств исходного сырья, в то время как продукты из неорганических компонентов в целом сохраняют свои эксплуатационные показатели.

Композиционные

Композиты образуются только искусственными способами, для чего применяются механические (измельчение, дробление, резка), химические, термические и комбинированные операции.

В число последних входят:

нагрев;
уплотнение;
охлаждение;
растворение.

Нагрев и охлаждение используются для облегчения последующего формоизменения, уплотнение (прессование) – для преобразования заготовок в конечную продукцию, растворение – для ускорения обработки компонентов.

Для получения продукции, основой которой являются высокомолекулярные органические вещества, используют управляемые химические реакции, а для создания композитных конструкционных материалов с особыми свойствами - методы с применением высоких энергий. В результате направленного энергетического воздействия, например, лазерного луча или плазмы, исходная структура веществ необратимо изменяется. В результате образуется продукция, свойства которой в природном виде воспроизвести невозможно. Это направление материаловедения за последние годы развивается наиболее интенсивно, поскольку техника и потребности современного общества требуют материалов, которые обладали бы сочетанием нескольких противоречивых характеристик: например, высокой прочностью при малом весе.

Свойства конструкционных материалов

Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

Физические свойства конструкционных материалов - это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

Механические свойства

Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

Основные механические свойства:

предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
деформируемость без потери целостности;
упругость;
удельная вязкость разрушения.

Физические свойства

Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

Основные физические свойства:

плотность;
электропроводность;
теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
температуры перехода в различное структурное состояние;
коэффициенты объёмного расширения.

Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

Технологические свойства

Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

Эксплуатационные свойства

Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость - это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

адгезию (сцепление;
истирание;
царапание, долбление;
температурный износ.

Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

Химические свойства

Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

стойкость против коррозии (для металлов);
химическая стабильность (для пластика;
инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

Читайте также: