Конструкционные материалы и технология их производства

Развитие техники сопровождается поиском новых материалов, обладающих “заказными” свойствами: более прочных, жаростойких, немагнитных и т.п. Новые материалы требуют изыскания новых способов их рациональной обработки, т. к. они, как правило, отличаются низкими технологическими свойствами. И этот процесс синтеза новых материалов и технологий продолжается.

В настоящее время в технике применяются свыше тысячи различных материалов.

2.1. Конструкционные материалы: классификация, свойства

На схеме (рис. 2.1) приведены группы наиболее распространенных конструкционных материалов, т.е. материалов, предназначенных для изготовления деталей машин и устройств.

Рис. 2.1. Классификация конструкционных материалов

Металлы - химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью.

Чистые металлы характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в технике находят применение главным образом их сплавы.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух и более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами.

Разнообразие типов межатомных связей и кристаллических структур сплавов обуславливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических и других свойств.

Компоненты сплава (химические элементы) делятся на три группы:

основа – металл, доля которого в составе сплава наиболее велика;

легирующие добавки – элементы, вводимые в определенных количествах в основу с целью управления свойствами сплава;

примеси – элементы или химические соединения, попадающие в сплав из руды, легирующих добавок, топлива, атмосферы, огнеупоров.

Современной металлургии известны свыше 60 металлов и более 5000 сплавов, полученных на их основе.

Сплавы на основе железа называют черными, на основе других металлов: – цветными.

Кроме металлов и их сплавов всё более широкое применение находят другие металлические материалы, такие как биметаллы и порошковые материалы.

Биметаллы представляют собой двух или многослойные монолитные комбинации разнородных металлов или сплавов, полученные различными технологическими способами. Эти материалы имеют оптимальное сочетание свойств, при котором реализуются преимущества каждого из слоев (коррозионная стойкость, износостойкость, тепло- и электропроводность, прочность, жаростойкость и т.п.).

Порошковые материалы изготавливают путем спекания методами порошковой металлургии (разд. 4.3). К ним относятся материалы на алюминиевой основе, например: САП (6...9% Al₂O₃, остальное Al), на железной основе, а также специальные порошковые материалы. Так материалы системы Fe-Ni-Al применяют для изготовления постоянных магнитов. К порошковым материалам относят также твердые сплавы, изготавливаемые спеканием тугоплавких соединений с металлами железной группы.

Неметаллические материалы – неорганические и органические полимерные материалы (пластмассы), композиционные материалы на неметаллической основе (стекловолокниты, стеклотекстолиты), резина, клей, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, синтетические алмазы, стекло, керамика и т.п.

Стеклотекстолиты – типичный представитель композиционных материалов на неметаллической основе – получают горячим прессованием полотен стеклянной ткани уложенных слоями и пропитанных фенолформальдегидными или эпоксидно-фенольными смолами.

Композиционные материалы – гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого. При этом компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала. Один из компонентов обладает непрерывностью по всему объему (матрица), другой или другие разделены в объеме, они считаются усиливающими или армирующими.

В зависимости от технологии введения армирующих волокон в матрицу применяют различные формы армирующих элементов: нити, жгуты, ленты и ткани.