книги из ГПНТБ / Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки

ствепные материалы. Реактивная авиация, космонавти­ ка, ядерная энергетика и многие другие отрасли народ­ ного хозяйства требуют материалов высокопрочных и вместе с тем необыкновенно легких, долговечных и стой­ ких, не разрушающихся под действием больших нагру­ зок, температур и др. Конечно, это не означает, что ме­ таллы теряют свое могущество. Но несомненно, что для них настала пора потесниться и немалую часть зани­ маемого ими места уступить пластическим массам, по­ ристой керамике, стеклокерамике.

Все большее применение получают металлы в много­ образном сочетании с пластическими массами и другими неметаллическими материалами.

Широкое развитие химии, намечающееся в настоя­ щее время, дает полную уверенность в том, что таких материалов скоро будет в достаточном количестве, что­ бы удовлетворить все отрасли машиностроения.

Важной причиной завышения веса машин является го, что в ряде случаев отсутствует детально разработан­ ная теория расчета, отчего расчет проводится по упро­ щенным формулам, конструктивным соображениям и т. п. Еще во многих случаях расчет выполняется без уче­ та новых данных в области прочности, без предваритель­ ного определения опытным путем истинных напряжений в деталях машин и фактических нагрузок.

Большое значение для экономии металла имеет при­ менение более экономичных материалов, новых профи­ лей проката, заменителей дефицитных материалов, но­ вых марок металла.

Известно, что прочность и жесткость конструкции зависят не столько от абсолютной величины площади работающего сечения (а следовательно, и веса), сколько от рационального распределения материала в этом се­ чении. Следовательно, при проектировании машин кон­

190

структоры имеют возможность значительного снижения веса конструкции за счет рационального подбора про­ филя сечения.

Одновременно необходимо внедрять такие материа­ лы, как высокопрочные черные металлы — чугун и сталь, редкие металлы — титан, германий, вольфрам и другие современные сплавы — алюминиевые, медные, никеле­ вые, металлокерамические, пластические массы, термо­ пластичные, термореактивные, слоистые стекловолок­ нистые, эскапоновые, привитые и другие, древесину, стекло, резину, железобетон и т. д.

Нынешняя техника, особенно такие ее быстроразвивающиеся отрасли, как авиация, ракетная техника, ма­ шиностроение, энергетика, радиотехника, атомная про­ мышленность и другие, опирается в своем развитии па последние достижения современной науки о механике линейного деформируемого тела. Глубокое знание физи­ ки твердого тела, его строения и тех элементарных про­ цессов, которые протекают в нем в различных физиче­ ских условиях, открывает перспективы создания техни­ чески ценных материалов с заданными свойствами.

Советское машиностроение имеет сейчас в своем рас­ поряжении более трех тысяч различных марок стали, чугуна и сплавов цветных металлов, которые все время совершенствуются.

Для нужд народного хозяйства требуется много чер­ ных и цветных металлов. Хотя объем их производства в

СССР непрерывно увеличивается, все же растущие по­ требности страны полностью не удовлетворяются. Поэто­ му, наряду со всемерным расширением выплавки чер­ ных и цветных металлов, исключительно важное народ­ нохозяйственное значение имеет систематическая борьба за экономию и улучшение использования их в народном хозяйстве.

191

Сейчас из-за неоднородности качества металла при расчетах конструкций и деталей запас прочности обыч­ но закладывают на 200% больше, чем нужно. Метал­ лурги должны обеспечить высокую однородность ме­ талла. А это в свою очередь позволит конструкторам закладывать при расчетах гораздо меньший запас проч­ ности, снизив, таким образом, расход металла не менее

чем на 20% • Располагая высокопрочными конструкционными ма­

териалами, конструктор может уменьшать размеры де-' талей, снижать их вес, увеличивая в то же время мощ­ ность и быстроходность машин, т. е. повышая эффек­ тивность их работы.

Интересы развития машиностроения и других отрас­ лей народного хозяйства требуют от инженеров и произ­ водственников ускоренного решения ряда важных техни­ ческих проблем. К числу таких проблем относится в nepj вую очередь вопрос об увеличении динамической проч: ности и эксплуатационной долговечности деталей машин и механизмов.

За последние годы появились широкие перспективы повышения прочности материалов, в первую очередь стали, путем особой термомеханической обработки. Есть предположение, что этот метод будет иметь существен­ ное значение для разрешения задачи получения прочно­ сти стали в 700 кГ/мм2.

Необходимость в таких высокопрочных сплавах опре­ деляется развитием современной, прежде всего реактив­ ной техники и авиации. Для получения таких сплавов нужно, во-первых, обеспечить высокую очистку металлов при их выплавке, во-вторых, вводить в состав сплавов химические элементы в новых комбинациях.

Чистый, плотный металл, почти не содержащий окис­ лов и газов, можно получать только в результате ва­

192

куумной плавки, которая рассматривается как один из основных методов получения высококачественного ме­ талла.

Большое значение для машиностроения имеет обес­ печение заданной надежности и долговечности машин и приборов.

Проблема надежности является первостепенной пробле­ мой, имеющей общегосударственное значение.

Основным показателем надежности большинства ма­ шин является полноценная выработка их ресурса при минимальных затратах на ремонт.

В разных отраслях народного хозяйства инженерная сущность проблемы надежности различна. В энергетике, например, основное значение имеет обеспеченность снаб­ жения потребителей электроэнергией со стабильными частотой и напряжением при высоком коэффициенте мощности. Бесперебойность генерирования электроэнер­ гии на современных тепловых электростанциях зависит от многих причин, начиная с качества подготовки воды

итоплива.

Вметаллургии надежность основных агрегатов зави­

сит главным образом от надежности вспомогательного оборудования. Так, перебои в работе загрузочных меха­ низмов нередко нарушают нормальную работу доменных

печей. .... ;

В химической промышленности недостаточная надеж­ ность оборудования не только снижает его производи­ тельность и качество продукции, но и нередко приводит к авариям, остановке производства. Повышенный износ оборудования под действием агрессивной среды при вы­ соких температурах и давлениях создает возможность

утечки ядовитых, горючих и взрывоопасных продуктов через сальники насосов и компрессоров, уплотнения в арматуре и соединениях аппаратов и машин с трубо­ проводами.

Недостаточность надежности многих сельскохозяйст­ венных машин нередко является одной из причин растя­ жения сроков выполнения посевных и уборочных работ. Работа машин в тяжелых полевых условиях при боль­ ших силовых перегрузках, вибрации, ударах, перекосах требует высокой прочности, хорошей защиты их от абра­ зивного износа и коррозийного разрушения.

В машиностроительном производстве надежность ра­ боты оборудования не только предопределяет высокое качество изделий, но и является главной предпосылкой эффективности комплексной механизации и автоматиза­ ции производственных процессов.

Применительно к машинам, аппаратам и приборам надежность наравне с долговечностью является важней­ шим и решающим показателем качества. Поясним это на примере. Допустим, что речь идет о качестве металло­ режущего станка, характеризующегося высокими скоро­ стями резания, значительной степенью автоматизации управления, прекрасной внешней отделкой. Что стоят все эти положительные характеристики станка, если он ра­ ботает ненадежно, т. е. часто разлаживается и выходит из строя вследствие поломок и повышенного износа де­ талей, причем в процессе ремонта приходится расходо­ вать много дорогих и металлоемких сменных частей?

Чем шире оснащается народное хозяйство новой тех­ никой, тем выше уровень механизации и автоматизации производственных процессов, тем большее значение при­ обретает надежность машинного парка. В наше время она стала одним из основных критериев эффективности технического прогресса. В чем же заключаются конкрет­

194

ные связи, существующие между эффективностью комп­ лексной механизации и автоматизации, с одной стороны, и надежностью машинного парка — с другой?

Если раньше важнейшие функции управления, конт­ роля и регулирования машинных систем осуществлял человек, то в наше время все в большей степени они вы­ полняются автоматически. А это возможно только при достаточно высоком уровне надежности, чтобы исклю­ чить сколько-нибудь частое и длительное вмешательство человека в процесс, которое может свести на нет весь эффект автоматизации.

Современные механизированные и автоматизирован­ ные комплексы, как правило, состоят из десятков и со­ тен взаимосвязанных различных машин, аппаратов и приборов, включающих в свою очередь тысячи различ­ ных элементов. В свете этой конструктивной сложности и взаимосвязанности с особой отчетливостью видна необ­ ходимость обеспечения эксплуатационной надежности, с тем чтобы выход из строя одного элемента не парали­ зовал бы действия всей системы.

Нужно иметь также в виду, что решение этой задачи имеет особо важное значение в характерных для совре­ менной техники условиях интенсификации процессов в результате роста производственных скоростей, давлений, напряжений, температур, частот и других параметров.

Нельзя забывать и чисто экономические соображе­ ния: современные машинные системы являются сгуст­ ком больших материальных ценностей, которые подле­ жат наиболее полному использованию и во времени и по мощности. Недостаточная отдача машин влечет за собой ухудшение экономических показателей производства.

Долговечность и надежность машин, как свидетель­ ствует практика многих отечественных предприятий, мо­ жет быть повышена в результате ряда мероприятий, ко­

торые могут быть условно подразделены на конструктив­ ные, технологические, организационно-производственные, эксплуатационные.

Значительные возможности повышения долговечности и надежности машин, аппаратов и приборов сосредоточе­ ны в руках конструкторов.

Важная роль принадлежит химии. Главной задачей в этой области является всемерное расширение теорети­ ческих исследований, способствующих разработке новых усовершенствованных технологических процессов и соз­ данию новых материалов со свойствами, удовлетворяю­ щими запросы современной техники.

Современная техника уже не удовлетворяется при­ родными веществами. Она требует создания разнообраз­ ных синтетических материалов. Нужны искусственные материалы, имеющие прочность металла, свойства дере­ ва, керамики, а также вещества эластичнее и выносли­ вее природного каучука. Надо иметь синтетические ма­ териалы, оптически прозрачные и бесцветные, негорючие, устойчивые к различным химическим веществам, свету и др. Современная химическая промышленность дает в руки человека огромный ассортимент всевозможных ве­ ществ для практического использования.

За последние годы выявлены новые важные области применения редких и рассеянных элементов. Можно ска­ зать, что эти элементы как бы заново «открыты» для техники. Например, обнаружены жаропрочные свойства титановых сплавов. До недавнего времени титан считал­ ся редким элементом, и его можно было найти лишь в некоторых лабораториях в количестве нескольких милли­ граммов. А теперь титана добывается столько, что ег.о уже не относят больше к редким элементам.

Многие редкие элементы, нашедшие важное промыш­ ленное применение (например, германий, цирконий, ли-

196

тий, ниобий, тантал, селен), производятся в весьма зна­ чительных количествах, несмотря на трудности их по­ лучения.

Применение германия в радиотехнике ознамено­ вало собой «эру полупроводниковых материалов». На основе селена, теллура, индия, таллия и галлия создают­ ся новые, очень чувствительные полупроводниковые при­ боры, а цирконий и бериллий произвели переворот в реакторостроении.

Тем не менее многие редкие элементы остаются все еще малоизученными. И вполне возможно, что установ­ ление новых областей их применения откроет новые перс­ пективы развития техники.

Известно, что современная авиационная техника спо­ собна перейти к скоростям гиперзвуковым, как называ­ ют скорости, в несколько раз превосходящие скорость звука. Возможность дальнейшего увеличения скорости основана на всестороннем усовершенствовании авиаци­ онных двигателей, увеличении их мощности и снижении веса. Действительно, мощность силовой установки совре­ менного самолета достигает нескольких десятков мил­ лионов джоулей и близка к мощности силовой установ­ ки современного линкора или авианосца.

Однако для осуществления полета на скорости, пре­ восходящей в несколько раз скорость звука, недоста­ точно иметь двигатель большой мощности. Возникают новые трудности, связанные с аэродинамическим нагре­ вом поверхности самолета.

Аэродинамический нагрев возникает в результате торможения воздуха поверхностями самолета. Можно различать два типа торможения. Первый из них, связан­ ный с нагревом лобовых поверхностей, возникает вслед­ ствие того, что молекулы воздуха сталкиваются с этими поверхностями и затормаживаются ими. Это происходит

197

у передних кромок крыльев и оперения, у носовой части фюзеляжа и т. п. Помимо этого, воздух тормозится и на­ гревается вследствие трения о боковые поверхности са­ молета. Это явление сопровождается нагревом, немного меньшим нагрева лобовых поверхностей. При скорости полета, близкой двойной скорости звука (2000— 2500км/ч), нагрев поверхности не создает больших труд­ ностей.

На скоростях, несколько больших двойной скорости звука, нагрев поверхности самолета достигает такого значения, что начинает плавиться органическое стекло окон самолета, а при скорости, превосходящей скорость звука в четыре раза (4000—5000 км/ч), плавится дюр­ алюминий. Уже при скорости 3000—3500 км/ч дюралю­ миний теряет 90% прочности, и, следовательно, приме­ нение дюралюминия для таких самолетов делается не­ возможным.

Помимо прямого воздействия нагрева на прочность материалов, большое значение имеют неравномерность распределения температур по поверхности самолета и возникающие вследствие этого термические напряжения.

Затруднения, создаваемые аэродинамическим нагре­ вом, не ограничиваются уменьшением прочности основ­ ной конструкции самолета. На самолете имеется эки­ паж, для которого необходимо обеспечить нормальные температурные условия, и ряд приборов, которые могут работать только в узком диапазоне температур.

Трудности, возникающие в результате аэродинамиче­ ского нагрева, принято называть тепловым барьером.

Имеется существенное различие между звуковым и тепловым барьером. Звуковой барьер действительно раз­ деляет две области скоростей: дозвуковую и сверхзву­ ковую. Полет в каждой из этих областей осуществляет­ ся без особых затруднений. Значительные трудности

198

возникают лишь в узкой области скоростей, близких к скорости звука.

Аэродинамический нагрев становится заметным на больших сверхзвуковых скоростях и возрастает чрезвы­ чайно быстро с ростом скорости полета. Тепловой барьер не является границей или стеной, которую мож­ но преодолеть. Трудности, возникающие в результате аэродинамического нагрева, правильнее представить себе в виде горы, которая становится все круче по мере продвижения вверх.

В данное время ведутся изыскания в различных на­ правлениях. Для самолетов малой продолжительности полета большинство вопросов разрешается применением тепловой изоляции. Ведется работа по применению но­ вых материалов, в частности сплавов титана. Применяет­ ся охлаждение воздухом с использованием холодильных турбин.

Весьма существенными показателями в области кос­ мического ракетостроения является вес спутника. Из­ вестно, что общий вес многоступенчатой ракеты, необхо­ димый для вывода спутника на орбиту, должен превос­ ходить его вес во много раз. Это значит, что общий вес всей системы при ее запуске должен составлять весьма значительную величину. Реактивный двигатель, способ­ ный оторвать от земли такую огромную массу и поднять ее с ускорением, превосходящим силу тяжести в не­ сколько раз, должен иметь очень большую силу тяги.

Для полета ракеты в космическое пространство ей необходимо сообщить большую кинетическую энергию. Эту энергию ракета приобретает за счет химической энергии запасенного на ней топлива. Потребное количе­ ство топлива, как показывают расчеты, в сотни и тысячи раз превосходит вес самой ракеты. Однако невозможно создать конструкцию ракеты, в баках которой вмеща­

199