Механические и физические свойства материалов

Основные конструкционные  легкие материалы это – пластмассы, цветные металлы Mg, Be, Al, Ti и сплавы на их основе, а так же композиционные материалы.

Особенно перспективны, те материалы, которые дают возможность  снизить массу конструкций при  одновременном повышении их прочности  и жесткости.

2.1. Алюминий.

Алюминий обладает малой  плотностью, хорошей теплопроводностью  и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозийной  стойкостью, а так же высокой отражательной способностью. Его применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичностью. Из алюминия изготовляют рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности его используют для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электрическая проводимость способствует широкому применению алюминия для конденсаторов, проводков, кабелей, шин и т.п. В связи с отражательной способностью его используют в прожекторах, рефлекторах, экранах телевизоров. Примеси ухудшают все его перечисленные свойства.

     Постоянные примеси – Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса:

1. Особой частоты А999 (≤ 0,001 % примесей),
2. Высокой частоты А995, А99, А97, А95 (0,005 – 0,05% примесей),
3. Технической частоты А85, А8 и др. (0,15- 1 % примесей).

 

Технический алюминий выпускается  в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.) и маркируется  АД0 и АД1.

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния.

Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают его прочность и твердость.

Алюминий имеет малое  эффективное поперечное сечение  захвата нейтронов. Он хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой  и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Так же имеет большую  усадку при затвердевании (6%).

Алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы характеризуются  высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Их классифицируют по технологии изготовления, способности к упрочнению термической обработкой и свойствами (рис. 3).

 

 

 

 

 

Рис. 3.

      Большинство сплавов имеют хорошую коррозийную стойкость (исключение составляют сплавы с медью), высокие тепловодность и электрическую проводимость, хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, а специальные – сваркой плавлением, в основном хорошо обрабатываются резанием).

Основными легирующими алюминиевыми сплавами являются Cu, Mg, Si, Mn, Zn. Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру рекристаллизации алюминия.

Деформируемые алюминиевые  сплавы – Амц и АМг. Они отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которой требуется высокая коррозийная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а так же для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др.

К сплавам, упрочняемым термической  обработкой, относятся главным образом  сплавы нормальной прочности и высокопрочные  – ДЮРАЛЮМИНЫ, которые широко применяются  в авиации.

Литейные алюминиевые  сплавы классифицируются по химическому составу.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al – Si (силумины). Наличие большого количества эвтектики в структуре этих сплавов позволяет силуминам иметь высокую жидкотекучесть, малую усадку, отсутствие или низкую склонность к образованию горячих трещин и хорошую герметичность. Они хорошо свариваются. Единственным способом повышения механических свойств является измельчение структуры путем модифицирования, обычно натрием, которых в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы сплава.

Гранулированные сплавы получают путем компактирования из частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации. Гранулы и готовые полуфабрикаты имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустранимую ликвацию. Самое большое их свойство это – метастабильное состояние.

Большой интерес представляют гранулированные сплавы алюминия с  элементами, практически нерастворимыми в нем, при равновесных условиях и сильно отличными от алюминия по плотности.

 

2.2. Сплавы на  основе магния.

Магний и его сплавы помимо низкой плотности имеют свойство хорошо обрабатываться резанием, способность воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. А так же легко шлифуются и полируются. Однако по удельной мощности магний близок к алюминию.

В настоящее время освоено  производство магния высокой чистоты (99, 9999 % Mg). При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 ºС на воздухе воспламеняется.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный  материал практически не применяется. Его используют в пиротехнике, в  химической промышленности для синтеза  органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Достоинством магниевых  сплавов является высокая удельная прочность. В горячем состоянии  магниевые сплавы хорошо куются, прокатываются и прессуются.

Цирконий и церий оказывают  модифицирующее действие на структуру  сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Кроме того, цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влияния примесей железа и никеля на свойства сплавов.  Они образуют с этими элементами промежуточные фазы большой плотности, которые при кристаллизации выпадают на дно тигля, очищая тем самым сплавы от вредных примесей.

 К недостаткам магниевых  сплавов наряду с низкой коррозийной  стойкостью и малым модулем  упругости следует отнести плохие  литейные свойства, склонность к  газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Для защиты от коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам – на сплавы невысокой  и средней прочности, высокопрочные  и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на упрочняемые и не упрочняемые.

2.3. Пластмассы.

Материаллы, изготовленные на основе полимеров – пластмассы. Имеют малую плотность, высокую химическую стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность и значительное тепловое расширение. Состав их композиций разнообразен:

Простые пластмассы  - это  полимеры без добавок,

Сложные пластмассы – это  смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т.д.)

Преимущества пластмасс в сочетании с удобством переработки обеспечили им применение в машиностроении, несмотря на ограниченную теплостойкость, малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами.

Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в  качестве наполнителя стеклянного  волокна в количестве 20 – 30 % и  ухудшаются под влиянием окружающей среды – под действием света  и воздуха, при изменении температуры.

К материалам с малой плотностью, помимо всех перечисленных, так же относятся  клей и резины.

 

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Материаловедение. Учебник для ВУЗов.- 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Издательство МГГУ, Ржевская С.В. ,  2005. - 456 с.
2. Материаловедение. Учебник для ВУЗов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.  Мухин и др.-3-е изд., стереотип.  - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 648с.