11
2.ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ВМАШИНОСТРОЕНИИ
Определяющими параметрами металлов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества металлов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 века и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 века двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основным конструкционным материалом стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.
С возникновением самолетостроения широкое распространение получили малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к металлическим сплавам (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению – с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением конструкционных материалов, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию – малому поперечному сечению захвата нейтронов.
К металлическим конструкционным материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали,
12
не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём металлических сплавов, используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности - от 200 до 3000 МПа, пластичность сталей достигает 80 %, вязкость – 3 МДж/м2. Конструкционные стали выплавляются в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше.
Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.
Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 0С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 МПа (чугаль) до 1350 МПа (легированный магниевый чугун).
Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 10001100 0С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 МПа, литейных до 550 МПа, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.
Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 МПа и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.
Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 МПа и более. Применяются для изготовления компрессоров авиацион-
13
ных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.
Вопросы для самоконтроля
1.Область применения сталей.
2.Область применения чугунов.
3.Область применения никелевых и кобальтовых сплавов.
4.Область применения алюминиевых сплавов.
5.Область применения магниевых сплавов.
6.Область применения титановых сплавов.
14
3.СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Понятие «неметаллические материалы» включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.
Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.
Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является великий русский химик А.М. Бутлеров. Промышленное производство первых синтетических пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г.С. Петровым
(1907–1914 гг.).
Пластическими массами (пластмассами, пластиками) принято называть материалы, представляющие собой композицию полимера или олигомера с различными ингредиентами, находящуюся при формовании изделий в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном (аморфном) или кристаллическом состоянии. В качестве ингредиентов могут входить наполнители: тальк, каолин, слюда, древесная мука, стеклянные, органические, углеродные и др. волокна; пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и т.д.
По характеру связующего вещества пластики подразделяются на термопластичные пластмассы (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные пластмассы (реактопласты), т.е. неразмягчающиеся.
Применение пластмасс (пластиков) в конструкции автомобилей приобретает все более широкие масштабы. Это объясняется в первую очередь тем, что по ряду показателей – плотности, коррозионной стойкости, антифрикционным и электротехническим, а также технологическим свойствам – пластики значи-
15
тельно превосходят традиционные материалы, используемые при изготовлении автомобиля. За последние 10 лет произошли принципиальные сдвиги в области применения пластмасс в автомобилестроении. Ранее из пластиков изготавливали детали только электротехнического, декоративного назначения.
Автомобилестроение стабильно и неуклонно развивается, несмотря на кризисы и колебания курсов — это одна из «осевых» отраслей, определяющих и формирующих дух современной цивилизации. Автомобильная промышленность постоянно повышает требования к функциональности, качеству и безопасности базовых материалов и требует своевременного создания новых композитов, сочетающих в себе максимум полезных свойств.
Композитные материалы из базальтовых волокон и углеволокна в настоящее время полностью отвечают актуальным требованиям автомобилестроения. Производство любого узла современного автомобиля по определению не может обойтись без применения композиционных материалов. Практически у каждого автопроизводителя существуют «концепт-кары», корпус и «начинка» которых почти полностью выполнены из композитов.
Композиционные материалы, применяемые в автомобилестроении:
–армирующие ткани и изделия из непрерывных волокон: бамперы, спойлеры, обтекатели, декоративные панели, днище, элементы защиты корпуса и, конечно, торпеда;
–композиты для тормозных колодок, дисков сцепления (фрикционных), всевозможных уплотнителей двигателя;
–армирующий композит для покрышек – базальтовое волокно обладает высочайшей прочностью «на разрыв». Автопокрышки с композитным кордом дешевле и «экологичней» в утилизации;
–полимерные карбоволокниты по мере удешевления их производства все чаще используются в производстве кузовов и шасси. Карбоволокниты также пригодны для изготовления сверхнадежных тормозных дисков;
–композиционные материалы для термоизоляции и звукоизоляции салона и двигателя. В последнее время звукоизоляция глушителя все чаще осуществляется с помощью иглопробивных холстов из базальтовых волокон.
Основными факторами, обусловливающими значительное внедрение пластмасс в конструкцию автомобилей, являются:
1.Машина становится легче, следовательно, снижается расход топлива.
2.Открывается возможность для новых конструкционных решений, поскольку термопластичные полимеры легко поддаются переработке и, следова-