Механические свойства конструкционных материалов

1. Механические свойства конструкционных материалов: усталость и выносливость (определение, обозначение, единицы измерения)

 

 

Конструкционные материалы  – это материалы из которых  изготавливаются различные конструкции  воспринимающие силовую нагрузку.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материалов под действием  приложенных внешних сил.

   Усталость – это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно – переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжения в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т.д. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно – переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно – переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Выносливость – это свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Между пределом выносливости и пределом прочности существует приближенная зависимость:

  ≈ 0,43δв; р ≈ 0,36δв, где и р – соответственно пределы выносливости  при изгибе и растяжении – сжатии.

2. Неметаллические конструкционные материалы: термореактивные полимеры и пластмассы.

 

    Неметаллические конструкционные материалы – это большая группа конструкционных материалов, которые не обладают свойствами металлов: не имеют металлического блеска, малопластичны, плохие проводники тепла и электричества.

  Фенопласты. Их изготовляют на основе фенолоформальдегидных смол, они широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, теплостойкостью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, а также наличием диэлектрических свойств. Из фенолоформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики. 
    Текстолит. Это слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего - фенолоформальдегидная смола. 
Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам, износоустойчивостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120-125°С. Текстолит нашел широкое применение как заменитель цветных металлов для вкладышей подшипников прокатных станов в металлургической промышленности, как конструкционный и поделочный материал в авиа- и машиностроении; для изготовления шестерен в автомобилях и других технических изделиях, к которым предъявляются высокие механические требования. Текстолитовые шестерни в отличие от металлических работают бесшумно. 
Электротехнический текстолит применяют для изготовления электроизоляционных изделий повышенной прочности - изолирующие ролики, пазовые и изолирующие клинья в генераторах, разные изолирующие детали для работы на воздухе и в трансформаторном масле. 
    Гетинакс. Это слоистая пластмасса на основе фенолоформальдегидной смолы и листов бумаги. Гетинакс выпускают под марками А, Б, В, Г. Гетинакс марок А и В имеет повышенные электрические свойства, марок Б и Г - повышенную механическую прочность. Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,5-50 мм, стержней диаметром до 25 мм и трубок различных диаметров. Гетинакс применяют главным образом как электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс для отделочных работ. Из гетинакса готовят фасонные изделия технического и бытового назначения. 
    Асботекстолит – это слоистый пластик на основе асбестовой ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой, устойчив к резким колебаниям температуры и влажности, бензостоек, отличается высокими фрикционными, электроизоляционными и теплоизоляционными свойствами. Из асботекстолита выполняют тормозные колодки и диски сцепления.

3. Литейные свойства. Литье по выплавляемым моделям.

 

Литейные свойства металлов и сплавов - совокупность физико - химических и специальных технологических свойств, характеризующих способность металлов и сплавов образовывать отливки без раковин, трещин, пористости и др. дефектов. 

 

          Литье по выплавляемым моделям применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала: парафин, стеарини др., (в простейшем случае — из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50 % стеарина и 50 % парафина, для крупногабаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 °С для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000 °С. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС.Таким образом получаем отливку.

Преимущества этого способа: возможность  изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью  размеров до 11 — 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5—1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

В силу большого расхода металла  и дороговизны процесса ЛВМ применяют  только для ответственных деталей.

 

 

 

 

4. Поверхностное упрочнение металлических материалов: химико-термическая обработка (борирование, хромирование,алитирование)

 

     Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев  химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных  слоев изделий определенными  элементами. Их называют, насыщающими  элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

     Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде. Борирование приводит к (упрочнению поверхности).

    Борирование проводят  преимущественно с целью повышения износостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания,  и т.п.). Борирование повышает также коррозийную стойкость железоуглеродистых сплавов во многих агрессивных средах ижаростойкость при температурах ниже 850 °C.

    Борирование можно проводить  всеми известными методами и  способами. Промышленное применение  получили: борирование в порошковых  смесях, электролизное борирование,  жидкостное безэлектролизное борирование,  ионное борирование  и борирование из обмазок (паст) .

    Борирование чаще всего  проводят при электролизе расплавленной  буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.

    Борирование можно проводить  при отливке деталей. В этом  случае на поверхность литейной  формы наносится слой специальной  боросодержащей массы (пасты). При  использовании выжигаемых моделей  из пенопластов боросодержащая  паста наносится на поверхность  модели. Способ отличается производительностью  и простотой.

 

   Хромирование — диффузионное насыщение поверхности стальных изделий хромом, либо процесс осаждения на поверхность детали слоя хрома из электролита под действием электрического тока.

Слой хрома может наноситься для декоративных целей, для обеспечения  защиты от коррозии или для увеличения твердости поверхности.

  Деталь, подвергаемая хромированию, как правило, проходит через следующие шаги:

• Очистка для удаления сильных загрязнений.
• Тонкая очистка, для удаления следов загрязнений.
• Предварительная подготовка (варьируется в зависимости от материала основы).
• Помещение в ванну с насыщенным раствором и выравнивание температуры.
• Подключение тока и выдержка до получения нужной толщины

Используемые при хромировании реагенты и отходы процесса чрезвычайно  токсичны, в большинстве стран  этот процесс находится под строгим  регулированием.

   В промышленности хромирование используется для снижения трения, повышения износостойкости, повышения коррозионной стойкости. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (окалиностойкость) при температуре до 800 °C, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей содержащих свыше 0,3-0,4 %С, повышает также твёрдость и износостойкость. Твердость хрома составляет от 66 до 70 HRC. Толщина хромового покрытия обычно составляет от 0.075 до 0.25 мм, но встречаются и более толстые, и более тонкие слои. Поверхностные дефекты при хромировании усиливаются и поверхность подлежит последующей обработке, так как хромирование не дает эффекта выравнивания.

 

        Алитирование, алюминирование (от нем. alitiren, от Al — алюминий) — (покрытие) поверхности стальных деталей алюминием для защиты от окисления при высоких температурах (700—900 °C и выше) и сопротивления атмосферной коррозии. Один из методов упрочнения машин и деталей. Чаще всего алитируются детали из малоуглеродистых аустенитных сталей и жаропрочных сплавов.

    Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50 % Al или ферроалюминия, 49 % Al₂O₃ и 1 % NH₄CI или 99 % ферроалюминия и 1 % NH₄CI). При 1000 °C и выдержке в течение 8 ч образуется слой в 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием.

Алитирование выполняется также:

- металлизацией (на поверхность детали наносят слой алюминиевого порошка и после изоляционной обмазки деталь подвергают диффузионному отжигу);

- покраской деталей алюминиевой краской (с последующим диффузионным отжигом в защитной атмосфере);

- погружением в расплав алюминия (с 6—8 % кремния (Si)) при 700—800 °C с последующей выдержкой, при этом концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ~ от 80 % и выше. Толщина слоя 20-1000 мкм в зависимости от длительности нахождения в расплаве. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до 500 HV, износостойкость наиболее высокая из всех методов

 

Алитированный слой обладает лучшим чем цинковый слой         сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Для небольших изделий более  доступен метод алитирования с помощью газотермического напыления.

Алитирование применяют при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинга нефти и газа, труб пароперегревателей, печной арматуры, защиты от коррозии металлоконструкций и т. п. Алитирование в расплавленном алюминии широко используются вместо горячего цинкования (листы, проволока, трубы, строит, детали).

 

 

5. Расшифровать маркировки сплавов.

Чугуны:СЧ30; КЧ60-3; ВЧ100

Стали: Ст3кп; 60; 30ХГСА; У11; А20

Цветные сплавы: АМг3; Л90; БрОЦС5-5-5;

                                                                                        

СЧ30 – серый чугун с пределом прочности 30 кг/мм²

КЧ60-3 – ковкий чугун с пределом прочности 60кг/мм² относительное удлинение – 3%

ВЧ100 – высокопрочный чугун с  пределом прочности 200кг/мм²

 

Ст3кп – сталь кипящая с содержанием углерода 0,3%

Сталь 60 – сталь обыкновенного  качества с содержанием углерода 0,6%

30ХГСА – высококачественная  легированная сталь, с содержанием  углерода 0,3%, 1% хрома, 1% марганца, 1% кремния, высококачественная

У11 – инструментальная сталь с  содержанием углерода 1,1%

А20 – автоматная сталь с содержанием углерода 0,2%

 

АМг3 -