Основні конструкційні матеріали та їх властивості

Як конструкційні матеріали в РЕА використовують вироби чорної і кольорової металургії, пластмаси, композити, волокна тощо. Усі властивості, що характеризують застосовувані матеріали, підрозділяють на механічні, хімічні, технологічні, експлуатаційні й вартісні. До механічної відносять міцність, тобто здатність витримати дію зовнішніх сил, що прагнуть розтягти, стиснути, зігнути, закрутити, порушити конструкцію (характеризують межею пружності σ_У, межею міцності σ_У, межею текучості σ_Т, модулем пружності E, модулем зрушення G); пластичність – здатність одержати остаточні зміни форми без руйнування; твердість – здатність чинити опір проникненню в матеріал інших тіл (оцінюють за шириною сліду від дії алмазної пірамідки або сталевої кульки під дією каліброваного навантаження). Властивості хімічні – схильність до хімічного впливу агресивних середовищ; властивості технологічні – ливарні, легкість механічної обробки, зварюваність і паяння, можливість нанесення покрить. Властивості експлуатаційні – щільність, корозійна стійкість, холодо- і жаростійкість, електрична і магнітна провідність, теплопровідність, температурний коефіцієнт лінійного розширення.

Механічна обробка матеріалу може впливати на його властивості. Так, при холодній деформації металу через зміну форми його зерен (витягування уздовж матеріалу) він стає більш твердим, але менш пластичним (явище наклепу), погіршується електро- і магнітопровідність та опір корозії, виникають залишкові напруги.

Крім того, у металах з неметалічними вкрапленнями, що після механічної обробки витягаються у вигляді волокон, спостерігається анізотропія механічних і фізико-хімічних властивостей (відмінність характеристик уздовж волокон і поперек їх). Ці явища можна усунути термообробкою – обпалюванням при температурі, що вище температури рекристалізації (0,4 температури плавлення).

Холодна обробка забезпечує високу точність розмірів, якість поверхні, скорочує технологічний цикл, полегшує автоматизацію і тому широко застосовується.

Гарячу деформацію застосовують для обробки малопластичних металів і сплавів, а також великих за розміром заготовок, тому що при нагріванні опір металу деформації істотно зменшується.

Деякі металеві і неметалеві матеріали допускають цілеспрямовану зміну своїх основних характеристик при термічній чи хіміко-термічній обробці (наприклад, загартування).

Розглянемо основні групи металів і сплавів, що застосовуються в РЕА (конкретні сорти є прикладами позначень матеріалів). До продукції чорної металургії відносять вироби на основі заліза: чавуни, сталі, феросплави. Сталі підрозділяють на звичайні (Ст0...Ст6) груп А, Б та В, якісні вуглеводневі (Ст45, А20, АС14), леговані конструкційні (легуючі елементи позначають такими літерами: Н – нікель, Г – марганець, Х – хром, С – кремній тощо, наприклад, 40ХН, 20ХГСА). Всі інші метали і їхні сплави відносять до групи кольорових металів. Це сплави на основі: алюмінію з магнієм (АЛ8, АЛ13), алюмінію з кремнієм (АЛ2, АЛ4, АЛ9), алюмінію з міддю (АЛ7, АЛ19); магнію (Мг95 і Мг96 – звичайні, МА2 і МА8 – деформуючі, МА5 – високоміцні, МЛ3 і МЛ6 – ливарні); міді з оловом і свинцем – бронзи (БрС30, БрАМц), міді з цинком – латуні (Л63, ЛМцЖ); титану (ВТ4, ВТ5).

Важливим конструкційним матеріалом є пластмаси. Розроблено велику кількість сортів пластмас, що володіють широким спектром властивостей: високою міцністю чи пластичністю, антикорозійністю і хімічною стійкістю, електроміцністю і малими втратами на високих частотах. Деталі з пластмас гігієнічні, мають гарний зовнішній вигляд, гладку поверхню різних кольорів, допускають декоративні покриття. Важливими перевагами в порівнянні з металами є легкість формоутворення, відсутність корозії і менша вартість (у середньому втричі).

Стосовно нагрівання пластмаси поділяють на термопластичні і термореактивні. Термопластичні при нагріванні розм'якшуються, переходять у пластичний стан, а при охолодженні твердішають. Термореактивні розм'якшуються тільки при першому нагріванні, потім твердіють і залишаються твердими до температури згорання.

Пластмаси за складом поділяють на прості – з полімеру і складні – полімер, наповнювач, пластифікатор і барвник. Наповнювач визначає основні властивості матеріалу. Пластифікатор додають до термопластичних мас для зниження температури розм'якшення.

Підготовлені до переробки у виріб складні пластмаси називають прес-матеріалом. За родом наповнювачів прес-матеріали поділяють на прес-порошки (з порошкоподібним наповнювачем), волокніти (довговолокнисті наповнювачі) і шаруваті фенопласти (наповнювачі листові).

З термопластичних матеріалів при виготовленні виробів складних об‘ємних форм найбільш відомі: поліетилен, поліамід, полістир, полікарбонат; з термореактивних – прес-матеріали АГ-4, П-50С та ін. До шаруватих фенопластів відносять гетинакс, текстоліт, склотекстоліт тощо.

До недоліків пластмас можна віднести меншу міцність, теплопровідність і термостійкість у порівнянні з металами, а також явище старіння – погіршення багатьох механічних і електричних властивостей з плином часу.