Современные конструкционные материалы, характеристика, свойства, области применения

     Современные конструкционные материалы, характеристика, свойства, области применения. 

     В качестве конструкционных материалов в машиностроении применяют углеродистые и легированные стали, чугуны, сплавы цветных металлов, металлокерамические  изделия.

     Наибольшее  распространение имеют стали  и чугуны. 

     Стали классифицируют: 

     - по химическому  составу: углеродистые (система Fe-C). Простые углеродистые стали имеют низкие механические свойства. Повысить механические характеристики и свойства углеродистых сталей можно разработкой широкого ассортимента сплавов – такими сплавами являются легированные стали. Их получают посредством добавления к углеродистым сталям различных легирующих элементов.

     Введение  этих элементов дает возможность  получить стали с высокими механическими  характеристиками, придать им специальные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость и др.). 

     - По содержанию  легирующих компонентов (при выплавке вводят легирующие компоненты: Cr, Ti, Mn, Mo и др.) стали подразделяются на:

     Низколегированные – до 2,5 % легирующих компонентов;

     Седнелегированные – 2,5 – 10% легирующих компонентов;

     Высоколегированные – свыше 10% легирующих компонентов. 

     - По степени чистоты:

     Стали средней чистоты – 99,0 – 99,9% Fe;

     Стали повышенной чистоты – 99,9 – 99,99% Fe;

     Стали высокой чистоты – 99,99 и выше  Fe. 

     - По способу производства:

     конвертерные;

     мартеновские;

     электросталь. 

     - По назначению:

     конструкционные – обыкновенного качества, углеродистые и качественные;

     инструментальные  – углеродистые, легированные;

     специальные – углеродистые, низкоуглеродистые  серофосфористые стали;

     легированные  – коррозионно-стойкие (хрома не менее 12%), жаростойкие (хром, кремний, алюминий); жаропрочные.

     Внедрение легированных сталей дает возможность  уменьшить материалоемкость машин, конструкций (за счет большей прочности  сталей), увеличить их долговечность. Однако стоимость их выше, особенно с добавлением редких элементов: вольфрама, молибдена, титана и др., производство сложнее. Поэтому широко применяют низколегированные стали, которые при сравнительно небольших затратах дают возможность снизить расход металла на 18-20%.

     Чугуны. Чугун – сплав железа с углеродом (2-4,5%) и другими элементами.

     Чугуны  подразделяются на: белый – Fe₃C; серый, с содержанием кремния до 4 %; высокопрочные чугуны (получают из серого путем модифицирования его магнием или цезием). Их используют для отливок коленчатых валов, зубчатых колес и др. Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной.

     Если  в высокопрочный чугун ввести небольшое количество никеля, хрома, молибдена и других элементов, получится  легированный чугун, обладающий более  высокой прочностью, износостойкостью, жаропрочностью.

     Широкое применение в качестве конструкционных  материалов нашли сплавы меди, алюминия, титана и других металлов.

     Сплав меди с цинком называется латунью. Применяют  латуни с содержанием цинка до 45%. Латунь с содержанием  цинка 42-45% обладает максимальной прочностью, а  с содержанием 30-32% цинка – наибольшей пластичностью.

     Добавки к латуням никеля, железа, алюминия способствуют повышению их механических свойств, коррозионной стойкости. Латунь дешевле меди, а механическая прочность  – выше.

     Бронзы – сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Используют для изготовления вкладышей подшипников, шестерен и других деталей приборов. Одним из наиболее легких конструкционных материалов является алюминий. Он обладает высокой тепло- и электропроводностью, теплоемкостью, высокой пластичностью, но низкими механическими свойствами. В чистом виде широко используется в электропромышленности. В машиностроении применяют сплавы алюминия. Наиболее известны дюралюмины – Au-Cu-Mg, силумины – Al-кремний.

     Для получения сплавов титана с заданными  механическими свойствами его легируют алюминием, хромом, оловом, молибденом и др. Сплавы титана обладают высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Применяют для обшивки  сверхзвуковых самолетов, обшивки  подводных лодок и др.

     Для изготовления режущего и бурового инструмента, обладающего высокой твердостью, достаточной прочностью, в современной  промышленности используют твердые  сплавы. Состоят они из высокотвердых  и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных металлической  связкой (кобальт, реже никель).

     Твердые сплавы превосходят инструментальные стали по твердости, стойкости и  коррозии, но уступают им в прочности  на изгиб, являются хрупкими. Важным свойством  твердых сплавов является обеспечение  твердости и режущих свойств инструмента при высоких температурах, возникающих в процессе обработки металлов (900-1000 ⁰С). Это свойство дает возможность повысить скорость резания при обработке металлов в 5-8 раз по сравнению со скоростями резания для инструмента из быстрорежущих сталей.

     В промышленности нашли применение очень  твердые материалы на основе кубического  нитрида бора (боразон, эльбор). На их основе создан сплав гексанит. Твердость этого сплава превышает твердость алмаза, а температура, которую он выдерживает, достигает 1930 ⁰С. При работе резцом из гексанита производительность труда повышается в 10 раз.

     Кроме металлокерамических твердых сплавов  используют минералокерамические материалы. Они состоят из зерен оксидов  металлов или синтетических минералов, соединенных синтетическим стеклом. Из наиболее употребляемых следует назвать микролит. Для его изготовления употребляют корунд (кристаллический оксид алюминия) с добавками оксида магния. Микролиты обладают большой химической стойкостью, твердостью, красностойкостью, но очень хрупки. Хрупкость и низкая прочность ограничивают область их применения. Они эффективно используются для обработки изделий из цветных металлов с небольшими глубинами резания, для чистовой обработки стальных и чугунных изделий.

     В последнее время нашли применение керамико-металлические материалы (керметы). Их получают обработкой смеси керамических порошков с металлическими методами порошковой металлургии. Металлической связкой в керметах служат порошки никеля, железа, кобальта, хрома. Для работы при температуре 450-630 ⁰С используют сплавы на основе Al₂O₃ (оксида алюминия), при температуре не выше 1000 ⁰С – применяют керметы на основе карбида титана, при более высоких температурах – композиции на основе карбидов бора и кремния.

     Керметы на основе боридов переходных материалов (борметы) отличаются высокой жаропрочностью. Они используются для изготовления деталей ракетных двигателей.

     Широко  применяют в промышленности магнитные, пористые и контактные материалы, полученные методами порошковой металлургии.