25

Лекция 3

Конструкционные материалы

Особенность применения конструкционных материалов при изготовлении деталей приборов и автоматических устройств состоит в том, что требование высокой прочности материалов зачастую не является главным, как в машиностроении.

В зависимости от специфики работы прибора и автоматического устройства, назначения и конструкции их деталей выдвигается ряд эксплуатационных требований к материалам, идущим на их изготовление. Это могут быть требования сочетания высокой прочности с малой плотностью в обычных сечениях и микросечениях, немагнитности (отсутствие ферромагнитных включений), наличие определённых электрических и особых физико-механических свойств, высокой стабильности свойств и размеров в различных эксплуатационных условиях и др.

Особенностью применения конструкционных материалов приборостроения является также необходимость в ряде случаев изготовления их в малых и микросечениях (тонкая и тончайшая проволока и фольга, тонкостенное литьё).

Чёрные металлы

В приборостроении и автоматике применяют железо, магнитные сталь и чугун. Железо, магнитные сталь и чугун не являются специальными магнитными материалами. Применение их не всегда обуславливается магнитными свойствами, а чаще дешевизной и хорошими технологическими свойствами. Их следует применять, по возможности, в качестве замены дорогостоящих и дефицитных цветных металлов и сплавов, а также сплавов с особыми свойствами во всех случаях, когда в требованиях к материалам деталей узлов приборов и автоматических устройств не содержится специальных условий.

Свойства сплавов определяются их составом и структурой. О структуре (строении) стали и чугуна (в равновесном состоянии) можно судить по диаграмме состояния железо-углерод (Рис.8).

Для Fe-C-сплавов рассматривается часть системы от железа до ближайшего химического соединения Fe₃C-цементита (6,3% С). Это обусловлено применением в практике Fe-C-сплавов с содержанием не более 5% С. Один из компонентов системы Fe-C – химический элемент железо является промышленным сплавом. Как и любой другой металл. Железо никогда не бывает абсолютно чистым, а всегда содержит примеси.

Сплавы, занимающие область на диаграмме состояния до 2,14% С, называются сталью, более 2,14% С – чугуном. Указанная граница 2,14% С относится только к двойным Fe-C сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Для высоколегированных Fe-C-сплавов она может смещаться в ту или иную сторону (например, сталь ледебуритного класса содержит 2-2,3% С,

высококремнистый чугун содержи 1,6-2,5% С). Граница 2,14% С принята не произвольно. Она разделяет системуFe-C на две части, отличающиеся друг от друга по структуре. У всех сплавов, содержащих менее 2,14% С, в результате получается структура аустенита: сплавы, содержащие 2,14% С, имеют в структуре эвтектику. Это различие в структуре при высокой температуре создаёт существенную разницу в свойствах сплавов (технологических, механических и др.). Чугун благодаря наличию эвтектики не ковок, однако более низкая температура его плавления обеспечивает высокие литейные свойства. Сталь же является деформируемым (ковким) сплавом.

Различают следующие структурные составляющие и равновесные структурыFe-C-сплавов.

Феррит – твёрдый раствор углерода и других элементов в α-железе. Обладает низкими: прочностью, твёрдостью и высокой пластичностью.

Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа); обладает высокой твёрдостью (легко царапает стекло), чрезвычайно хрупкий (имеет практически нулевую пластичность). Температура плавления 1600^оС. Слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит теряет при нагреве до 217^оС. Цементит – неустойчивое соединение и при определённых условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Графит обладает кристаллической слоистой структурой, имеет слабо выраженные металлические свойства (электропроводность), обладает низкими механическими свойствами (прочность и пластичность).

Аустенит – твёрдый раствор углерода и присутствующих в сплаве примесей в γ-железе. Является обычно высокотемпературной структурой. Сталь, имеющая аустенитную структуру, весьма пластична.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (температура плавления 1147^оС, содержит 4Ю3% С) после кристаллизации. Ниже 727^оС представляет собой смесь перлита и цементита.

Зная состав сплава, по которому можно судить о его структуре. А также свойства равновесных структур и отдельных структурных составляющих Fe-C-сплавов, ориентировочно можно определить и свойства данных сплавов в равновесном состоянии.