22

Лекция 1а Конструкционные материалы . Начало.

Курс «Конструкционные материалы», являясь одним из основных в цикле технических дисциплин при подготовке инженерных и научных кадров, дает знания о составе, структурах, свойствах конструкционных материалов, технологии их обработки, рациональному использованию в технических устройствах.

Введение

Первые конструкции и машины создавались на основе существовавших тогда материалов. Недостатки исходных материалов повлекли за собой поиск новых, более совершенных конструкционных материалов. Постепенно первоначальные и последующие исследования привели к кардинальному пересмотру и переоценке некоторых критериев многообразных свойств конструкционных материалов и методов их испытания. Каменный век сменился бронзовым, а затем пришел стальной век.

Истории цивилизации присущи этапы, наиболее полно отражающие прогресс человеческого общества: получение огня, развитие скотоводства, культивирование злаковых растений и, наконец, открытие тайны превращения руды в металл. Появление металлургии в седьмом тысячелетии до нашей эры (как свидетельствуют археологические раскопки) обеспечило людей металлами и сплавами, что сыграло решающую роль в последующем развитии производительных сил.

В Средние века находилось немало «ученых», утверждавших, что металлы не приносят людям пользы, а потому не следует копаться в священных недрах земли, чтобы их искать и добывать. Возражая таким «специалистам», Георг Агрикола – известный немецкий мыслитель, автор многих работ по металлургии, в том числе капитального труда «О горном деле и металлургии», вышедшего в 1556 г., писал, что человек не может обойтись без металлов, если бы не было металлов, люди бы влачили самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Они вернулись бы к желудям, лесным яблокам и грушам, питались бы травами и кореньями, ногтями выгребали бы себе логовища, чтобы лежать в них ночью, а днем бродили бы там и сям по лесам и полям, подобно зверям. Поскольку же такой образ жизни совершенно не достоин человеческого разума, самого лучшего дара природы, неужели кто-либо окажется глуп и упрям, чтобы не согласиться, что металлы необходимы для пропитания и одежды, и что они вообще служат для поддержания человеческой жизни.

Бурное развитие научно-технического прогресса повлекло интенсификацию условий эксплуатации деталей и сборочных единиц различных машин. Возросли скорости эксплуатации, режимы силового и температурного нагружения деталей и сборочных единиц многих машин различного назначения. Всё это вызвало применение большого количества новых конструкционных материалов для изготовления деталей машин, приборов, аппаратов, инструментов и других назначений. Таких материалов в настоящее время насчитывается около 1 миллиона наименований.

Современное материаловедение подразделяет конструкционные материалы на четыре основные группы: металлы и сплавы, минералокерамические, полимерные и композиционные (композиты) – наиболее перспективные.

Металлы как основной конструкционный материал с древнейших времен и по настоящее время являются самыми надежными помощниками человека. Почти три четверти химических элементов таблицы Менделеева, из которых состоит все существующее во Вселенной, – это металлы.

Многие из них находят широкое применение в технике и в быту. Но еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлических и неметаллических элементов. Как правило, они обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов. Одни имеют высокую твердость, износостойкость, способность выдерживать огромные давления и температуры. Другие, наоборот, – очень пластичны, хорошо куются и штампуются, третьи даже плавятся в горячей воде.

Инструментальные материалы, являющиеся разновидностью конструкционных, используются для изготовления режущих и измерительных инструментов, фильеров, штампов, прокатных валков и других деталей.

В настоящее время наибольшее распространение получили так называемые «черные сплавы» – стали и чугуны, основой которых является железо. Эти сплавы имеют не только высокое качество, но и относительно дешевы.

Стали и чугуны – универсальные материалы. Изменяя их химический состав и структуру, вводя добавки других металлов, можно получать сплавы с очень широким диапазоном физико-химических и эксплуатационных свойств: сверхтвердые, жаростойкие, нержавеющие под действием даже самых сильных кислот, износостойкие, выдерживающие большие ударные нагрузки и др.

Бурное развитие машиностроения, приборостроения, авиационно-космической, энергетической и других важнейших отраслей привело к созданию нового класса высокопрочных, жаропрочных и высокомодульных материалов, называемых композиционными. Как заметил один из ведущих ученых в этой области, американский профессор А. Дитц, что это название содержит в новой форме очень старую и простую мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

Наряду с высокими удельными значениями прочности, жесткости, жаропрочности композиты могут обладать заданным комплексом различных специальных свойств - радиопоглощающих, радиопрозрачных, диэлектрических, магнитных и др. Это достигается сочетанием разнородных материалов (металлов, сплавов, керамики, полимеров, карбидов, боридов и т. д.), при котором используются полезные свойства отдельных компонентов, входящих в композицию.

Композиционные материалы сыграли существенную роль в решении многих проблем, связанных с авиацией, морским флотом, освоением космоса. В настоящее время спрос на такие материалы непрерывно возрастает и в ближайшие годы сфера их использования будет непрерывно расширяться.

В деле создания новых материалов с уникальными свойствами неоценимое значение приобретает использование нанотехнологий.

Много внимания уделяется получению металлов высокой чистоты, в которых на миллиарды атомов основного материала приходится не более одного атома примесей. Дело в том, что многие металлы, практически свободные от примесей, резко отличаются по свойствам от тех же металлов, хотя бы немного загрязненных другими элементами. В этом отношении показателен титан. Еще в начале прошлого века металлургам не удавалось получать его чистым – в нем всегда присутствовали примеси. Всего несколько десятых долей процента делали титан хрупким, непрочным, не поддающимся механической обработке. О нем сложилось мнение, как о бесполезном материале. Но при получении титана высокой чистоты металл в корне преобразился: он оказался настолько пластичным, что легко ковался даже на холоде, его можно было прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тонкую фольгу.

В последние годы у металлов появился серьезный «конкурент» в виде ряда продуктов современной химии – пластмасс, синтетических волокон, керамики, разных видов стекол и т. д. Ежегодное мировое производство одних только пластмасс измеряется миллионами тонн. Однако выплавка черных и цветных металлов растет не менее быстрыми темпами. Например, два столетия назад ежегодный выпуск стали составлял примерно 3 млн. тонн, в середине прошлого века – более 700 млн. тонн, а в начале нынешнего – более 2 млрд. тонн. Поэтому еще долгие годы человечество будет использовать металлы и сплавы в качестве основных конструкционных материалов. Академик А.Е. Ферсман писал, что будущее за другими металлами, а железу будет отведено почетное место старого, заслуженного, но отслужившего свое время материала. Но до этого будущего еще далеко. Железо – пока основа металлургии, машиностроения, путей сообщения, судостроения, мостов, транспорта.

Каждый день миллиарды людей используют широчайший ассортимент изделий из самых разнообразных материалов. Для придания определенных свойств каждому из них необходимы знания о тех процессах, которые происходят в материалах при их получении, обработке и эксплуатации.

Как нельзя точнее сказал об этом еще в XVI в. известный английский философ Ф. Бэкон: «То, что достойно существовать, – достойно быть знаемо». Потому пока будут цениться конструкционные материалы, будут цениться и знания о них.

При изготовлении современных машин все шире применяют новые, обычно труднообрабатываемые, конструкционные материалы. С усложнением конструкций и увеличением нагрузок на детали проблема точности и качества их изготовления и обеспечение высокой надежности выпускаемых машин стала одной из основных в технологии машиностроения. Все это потребовало более глубокого изучения и совершенствования существующих, а также разработки новых высокоэффективных методов и процессов обработки. Появились новые виды конструкционных инструментальных материалов, освоен выпуск и находят всё большее применение синтетические сверхтвердые материалы (алмазы, эльбор, гексанит и др.), большое развитие получили методы отделочно-упрочняющей обработки. Наибольшими возможностями в отношении повышения точности и качества изготовления деталей обладают новые способы окончательной и доводочной обработки. Большинство из них связано с применением синтетических алмазов и кубического нитрида бора (эльбора). Алмазные и эльборовые круги отличаются высокой размерной стойкостью и обеспечивают в 1,5…2,5 раза более высокую производительность, чем инструмент из обычных абразивных материалов. В настоящее время все большее применение получают резцы, оснащенные сверхтвердыми поликристаллами кубического нитрида бора. Особо эффективны они при обработке стальных деталей, закаленных на твердость HRC 50…60. До появления таких материалов стали указанной твердости лезвийным инструментом вообще не обрабатывались. Высокая размерная стойкость кристаллов кубического нитрида бора позволяет при точении получать точность, доступную лишь шлифованию. Возрастает роль в обеспечении высокой точности и твердосплавного инструмента, особенно размерного. Промышленностью освоен выпуск большой номенклатуры монолитного твердосплавного инструмента для обработки отверстий и резьб, всё шире применяются твердосплавные выглаживающие прошивки и протяжки, сборные червячные фрезы и шевера. Находят применение цельные твердосплавные (вольфрамокобальтовые) валки листопрокатных станов, например, валки диаметром 55 мм 20-ти валкового стана 1200 «СКМЗ».

Достигнутые успехи в обработке металлов резанием, перспектива дальнейшего повышения точности и качества изготовления деталей, роста производительности труда при станочной обработке находятся в прямой зависимости от качества инструментальных конструкционных материалов и металлорежущего инструмента.

Основные характеристики объектов производства

Основа современной цивилизации состоит в целенаправленном воздействии человека на природу с целью преобразования природных продуктов в изделия, удовлетворяющие те или иные потребности человека.

Причем, эти изделия в настоящее время настолько отличаются от природных продуктов, что иногда даже трудно представить те исходные природные материалы, из которых они получены (например, компьютер).

Если ранее человек непосредственно мог воздействовать на природные продукты с помощью своих органов и своей энергии, то современное производство основано на применении различного рода машин, агрегатов, которые, преобразуя различные виды энергии, могут осуществлять воздействие на природные продукты значительно более эффективно.

Машина - механическое устройство, выполняющее движения для преобразования энергии, материалов или информации.

Основное назначение машин - частичная или полная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и повышения его производительности. Машины образуют основу созданной человеком ноосферы, являются продуктом человеческого мышления и могут рассматриваться как отражение человеческой мысли, материальное воплощение человеческой психологии. Достижения всех отраслей производства базируется на достижениях в развитии соответствующих машин. Поэтому наша Цивилизация иногда характеризуется как машинная Цивилизация, а машиностроение является важнейшей отраслью промышленности.

Машины, применяемые человеком для преобразования природы делятся на...

Технологические: металлорежущие станки, прессы, оборудование пищевой промышленности (диспергаторы, смесители и т.д.), сельскохозяйственные машины и т.д.

Транспортные: поезда, автомобили, суда, самолеты, конвейеры, промышленные роботы и т.д.

Энергетические: генераторы, турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, и т.д.

Кроме машин, человечество использует для воздействия на природу устройства, в которых преобразование вещества, энергии происходит не за счет механического движения, а за счет других физических, химических или биологических процессов. Такие устройства называются реакторами, агрегатами, аппаратами, и т.д.

Например: атомный реактор, химические аппараты для синтеза различных веществ, биологические реакторы для получения дрожжевых бактерий...

Если устройство предназначено для получения и преобразования информации, то оно относится к категории ПРИБОРОВ.

(ЭВМ - конечно не машина, а прибор. Такая терминология сохранилась с тех времен, когда вычислительные устройства были основаны чисто на механическом принципе).

Каждая машина, агрегат, прибор обладают существенными для человека свойствами, среди которых имеются как полезные, так и вредные свойства.

История развития этих средств отражает попытки максимизировать полезные свойства этих искусственных объектов при минимизации их отрицательного влияния на человека непосредственно или окружающую среду.

Так, скорость транспорта постоянно увеличивается, производительность технологического оборудования растет, мощность и КПД энергетических машин повышается. Набор свойств этих технических средств настолько широк, что сравнение их возможно только при сопоставлении близких, предназначенных для выполнения одной цели устройств. Невозможно, например, сравнение легкового и грузового автомобиля, хотя сравнение легковых автомобилей может производиться по одним и тем же техническим критериям. (Максимальная скорость, вместимость, потребление топлива на 100 км пути и т.д.).

Уровень развития цивилизации в настоящее время определяется техническим прогрессом, именно достигнутыми характеристиками (или техническими критериями) машин, приборов и т.д.

От достигнутых характеристик этих устройств зависит эффективность любой отрасли общественного производства, что непосредственно отражается на качестве жизни общества. Поэтому важнейшими отраслями промышленности следует считать именно производство средств производства.

Свойства машин возникают при сборке из отдельных элементов - деталей.

Деталь - изделие, изготовленное без применения сборочных операций.

Если свойства машин чрезвычайно разнообразны, то свойства деталей можно разделить на 5 основных, несводимых друг к другу категорий, которые универсальны и могут быть оценены с единых позиций.

К таким свойствам относятся:

Свойства материалов, форма, размеры, точность, свойства поверхности.