Тема «Конструкционные материалы»

Основные материалы в приборо- и машиностроении – это различные сплавы, пластмассы, спеченные, керамические и композитные материалы.

Железоуглеродистые сплавы – чугуны и стали. В точной механике чугуны применяются относительно редко. Стали – основной конструкционный материал, из которого изготовляют большинство деталей. Наиболее широко применяются стали углеродистые обыкновенного качества по ГОСТ 380-71 (марок 20, 35, …). Из сталей по ГОСТ 1050-74 изготовляют, например, зубчатые и фрикционные колеса, валы, шпонки и т.д. Легированные стали имеют повышенные механические характеристики, но стоимость их существенно выше, чем сталей по ГОСТ 380-71 и 1050-74.

Твердость и износостойкость поверхности стальной детали могут быть повышены закалкой (при содержании углерода в стали 0.3 … 0.5%). Другие способы поверхностного упрочнения таких сталей – азотирование и цианирование. При этом поверхностный слой глубиной 0.2…0.7 мм насыщается азотом и углеродом.

Детали, испытывающие нагрузки с толчками и ударами, изготовляют из низкоуглеродистых сталей марок 15, 20, 15Х и др. Их поверхностное упрочнение достигается закалкой или цементацией (насыщение поверхности углеродом).

Основные свойства сталей – высокая прочность, пластичность, легкая свариваемость. Механические характеристики стали зависят от количественного соотношения составляющих компонентов и термообработки. Существенный недостаток сталей – большая плотность (7.8 г/см³). Многие стали обладают малой коррозийной стойкостью, а специальные нержавеющие стали с высокой коррозийной стойкостью весьма дороги. При корродировании стальные детали несколько увеличивают свои размер, что неблагоприятно для точных приборов и устройств. Применяя титановые сплавы вместо сталей, получают конструкцию, в 2…3 раза более легкую, стойкую к коррозии, размеры которой не меняются при корродировании. Однако высокая стоимость титановых сплавов существенно ограничивает область их использования.

Медные сплавы – это различные латуни и бронзы. Латунь – сплав меди и цинка, а также многокомпонентные сплавы на той же основе. Бронзой называют сплав меди с оловом и другими элементами (кремний, никель, алюминий). Медные сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью, стабильными механическими характеристиками и хорошими антифрикционными свойствами. Поэтому их используют при необходимости уменьшить потери в узлах трения, в упругих элементах и т.п.

Из различных бронз и латуней изготовляют, в частности, вкладыши опор скольжения, червячные колеса, детали фрикционных муфт, направляющие прямолинейного движения, небольшие зубчатые колеса, платы, детали лицевых панелей, мембраны, сифоны и т.д. Прочность медных сплавов (особенно латуней) ниже, чем сталей, а стоимость выше (латунь стоит примерно в 6 раз дороже стали 45 по ГОСТ 1050-74, а бронза – в среднем в 10 раз дороже этой же стали).

Алюминиевые сплавы делятся на литейные (АЛ) и деформируемые (АД). Общее положительное качество алюминиевых сплавов – их небольшая плотность. Алюминиево-кремнистые сплавы называют силуминами (например, сплавы АЛ2, АЛ6 и др.); их применяют для изготовления методом литья средненагруженных корпусных и других деталей. Алюминиево-магниевые и алюминиево-медные сплавы (дюралюмины) используют для нагруженных деталей. Из алюминиевых сплавов часто изготавливают тонкостенные корпуса, кронштейны, платы с приливами и ребрами жесткости, корпусные штампованные детали, шкалы, детали оптических приборов.

Спеченные материалы. Новые физико-механические свойства материалов можно получить, если спекать при высокой температуре порошки железа, цветных и тугоплавких металлов, а также неметаллические порошки. В частности, спеченные материалы обладают меньшей, чем исходный материал, массой за счет пор между частицами при удовлетворительной прочности. Спеченные материалы особенно часто применяют в опорах механизмов.

Спеченные неметаллические материалы называют керамикой. По способу изготовления , определяющему свойства конечного продукта, керамика разделяется на две группы: прессованная при температуре спекания 1700…2400^о С и прессованная при невысокой температуре, спекаемая затем без давления. Материалы первой группы (бориды, нитриды и их комбинации) обладают большой плотностью, высокой прочностью (предел прочности при сжатии до 3400 МПа, при растяжении – до 900 МПа) и хорошим сопротивлением тепловым ударам. Материалы второй группы более пористы и имеют поэтому меньшую плотность. Досттоинства керамических материалов: сохранение прочностных свойств при температуре более 800^о С, относительно малая плотность (в среднем 40% плотности стали), химическая стойкость, невысокая стоимость. Недостатки керамики: низкая пластичность, хрупкость, трудность обработки.

Применяют керамику в тех случаях, когда система должна работать в условиях высоких температур, особенно при резких ее изменениях, в химической активной среде (например, в опорах скольжения).

Пластмассы. Широкое использование пластмасс в качестве конструкционных материалов как в приборо-, так и машиностроении связано с их специфическими свойствами. Разные пластмассы часто обладают не похожими друг на друга свойствами. В целом же можно отметить следующие достоинства пластмасс: небольшая плотность в сочетании с достаточной механической прочностью, коррозионная стойкость; антифрикционные качества, в том числе возможность работать без смазки или с одноразовой смазкой; легкая обрабатываемость и др. Меньшие прочность, предел текучести и модуль упругости пластмасс по сравнению с металлами в основном компенсируется небольшой массой пластмасс.

Область применения пластмасс расширяется в связи с разработкой новых модификаций, наполнением опыта переработки и применения; постоянно снижается стоимость пластмассовых деталей. С помощью литья под давлением можно изготавливать пластмассовые детали сложной формы; процесс изготовления аналогичных металлических деталей очень трудоемок. Применение деталей сложной формы можно уменьшить количество деталей в изделии, упростить его сборку и снизить стоимость. Так, использовав пластмассу для изготовления деталей счетной электрической машины, удалось сократить число деталей с 1500 до 550.

Все пластмассы делятся на две группы: термореактивные и термопластичные. К термореактивным относятся текстолит, ГЕТИНАКС, БАКЕЛИТ И РЯД ДРУГИХ. Пластмассы второй группы при определенных температуре и давлении переходят в пластическое состояние и легко формируются. В технике наиболее широко используются следующие виды термопластов: полиамиды, полиформальдегиды, поликарбонаты и акрилопласты. Для изготовления зубчатых колес, подшипников, кулачков и т.д. применяют полиамиды, обладающие высокой износостойкостью, механической прочностью, химической стойкостью к органическим растворителям, маслам и щелочам. Хорошие антифрикционные свойства имеют полиамиды. Капрон обладает повышенной механической прочностью, дешев, однако большое (до 11%) влагопоглощение может вызвать искажение размеров деталей, работающих во влажной среде. Хотя и в меньшей степени, но этот недостаток присущ многим полиамидам.

Полиформальдегиды отличаются высокой прочностью при умеренных температурах (предел прочности около 70 МПа), вязкостью, влагостойкостью, а по сопротивлению ползучести превосходят большинство термопластов; но износостойкость их в среднем в 2…3 раза ниже, чем у полиамидов. Поликарбонаты характеризуются большой ударопрочностью, высокой стабильностью размеров (можно формировать детали с допуском ). Акрилопласты обладают гибкостью, износо- и водостойки, химически малоактивны.

Эпоксидная смола – один из новых синтетических материалов. Детали из эпоксидной смолы изготовляют литьем, их масса и стоимость меньше, чем металлических (масса меньше на 80%). Коррозионная стойкость эпоксидной смолы выше, чем у латуни и других цветных сплавов, и приближается к стойкости нержавеющей стали; предел прочности при изгибе около 77 МПа, допустим нагрев до 130^о С, хорошая пространственная устойчивость.

Композиционные материалы состоят из армирующих волокон и наполнителя. Армирующие волокна высокопрочных материалов – графит, бор, стекло, сталь, бериллий, вольфрам и др. – несут большую часть нагрузки. Наполнителями служат металлы, пластмассы, стеклопластики, эпоксидная смола и т.д. Композиционные материалы конструкционного назначения отличаются высокой прочностью и жесткостью. Например, введение борных волокон в алюминий приводит к увеличению модуля упругости в 3.5 раза и предела прочности до 1200 МПа (вдвое выше, чем у самого прочного алюминиевого сплава). Высокая демпфирующая способность обеспечивает вибропрочность конструкций. Вследствие этого предел выносливости боралюминия в 10…12 раз выше, чем у алюминия, и в 5 раз выше по сравнению с алюминиевыми сплавами. Ряд композиционных материалов эффективно используют в авиации и космической технике для изготовления корпусов летательных аппаратов. Важное достоинство композиционных материалов – возможность регулирования их свойств путем выбора компонентов, их концентрации, ориентации волокон. Созданы материалы с разной прочностью в разных направлениях. Открыта способность некоторых сплавов запоминать форму: деформированная деталь при изменении температуры принимает исходную форму.

Наличие большого количества разнообразных конструкционных материалов позволяет оптимизировать параметры проектируемого изделия так, чтобы оно удовлетворяло всем поставленным требованиям. Но именно ввиду обширности номенклатуры материалов их выбор представляет непростую инженерную задачу. Так, в машино- и приборостроении используют до 400 марок сталей, столько же марок цветных сплавов, около 200 видов пластмасс, более 150 видов композиционных материалов, около 40 типов резин, 60 типов керамики и т.д. Каждый материал характеризуется, как минимум, 20 параметрами. Если же учесть возможные виды термообработки, вариации состава и другие факторы, в том числе экономические, то всему множеству материалов соответствует массив данных объемом около 500 тыс. чисел. В этих условиях выбор оптимального материала возможен лишь с помощью ЭВМ.