Основные служебные свойства материалов
Материалы, используемые в технике, трудятся в разнообразных условиях, определяемых следующими главными факторами: степенью нагруженности — силовой, несиловой элемент; характером приложения нагрузки — постоянная, переменная, ударная; характером рабочей среды — температура, химическая активность; длительностью работы — краткосрочная либо долгая работа; заданной надежностью — длительностью работы. Эти условия определяют выбор того либо иного материала для данной конструкции. Помимо этого, на выбор материала воздействуют требования к весовым и габаритным чертям подробности, технологические особенности материала, а следовательно, и возможность изготовления подробностей тем либо иным методом (литьем, штамповкой, точением), и экономическая сторона — цена, недефицитность и т. д.
Служебные особенности материала представляют собой характеристики, конкретно выявляемые при работе материала в настоящей конструкции. Они выясняются намного более многообразными, чем те, каковые выявляются у материала при простом лабораторном опробовании образцов.
Так, наиболее значимыми служебными особенностями материалов при тех либо иных конкретных условиях эксплуатации смогут быть: удельная прочность, статическая прочность, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность при простых и низких температурах, жаропрочность, жаростойкость, термостойкость, коррозионная и эрозионная стойкость и другие.
Имея в виду громадное многообразие условий работы, все конструкционные материалы возможно подразделить на следующие главные группы.
1. Материалы, действующий при постоянных и переменных нагрузках в простых атмосферных условиях в течение долгого времени. Из них изготавливаются рамы, другие узлы и опорные устройства транспортных и подъемных агрегатов, шасси для установок разного назначения.
К этим материалам не предъявляется твёрдых требований в смысле ограничения веса. Надежность работы их в конструкции обеспечивается большими запасами прочности.
Главными параметрами, определяющими выбор материалов данной группы, являются их низкая стоимость, удовлетворительные прочность, свариваемость и пластичность. Как пример для того чтобы материала возможно назвать недорогую конструкционную углеродистую сталь обычного качества марки Ст.
3, имеющую оь~42 кГ/мм2, о02 г: 24 кГ/мм8^24%. Защита ее от атмосферной коррозии осуществляется посредством лакокрасочных покрытий.
2. Материалы, действующий при постоянной и знакопеременных нагрузках большой величины в атмосферных условиях и в контакте с малоагрессивными жидкостями в течение сотен часов. Из них изготавливаются наиболее значимые подробности, делающие роль главных элементов и определяющие надёжность и ресурс автомобилей: коленчатые и кулачковые валы, шатуны, гидроцилиндры, штоки, шестеренки и др.
Эти подробности подвергаются сложному переменному и ударному нагружению, взаимодействуют с другими подробностями и во многих случаях подвергаются интенсивному износу. Фундаментальными служебными особенностями материалов для таких подробностей являются большие значения прочности, пластичности, ударной вязкости и износостойкости.
При выборе материалов для названного назначения нужно кроме этого иметь в виду технологические особенности и прежде всего свойство обрабатываться резанием. Для получения требуемого комплекса служебных особенностей эти материалы подвергаются термической и химико-термической обработке, поверхностному наклепу и гальванохромированию.
Как пример материалов данной группы возможно привести углеродистую сталь марки 45 и легировацные стали марок 38ХМЮА, ЗОХГСА, 12ХНЗА.
3. Материалы, длительно трудящиеся в сильнодействующих агрессивных средах при постоянных нагрузках, температуре и атмосферном давлении. Из них делают емкости, трубопроводы, подробности насосов, трудящиеся в контакте с этими средами, как азотная кислота, морская вода и перекись водорода.
Фундаментальным служебным свойством материалов данной группы есть их высокая коррозионная стойкость. При выборе их учитывается кроме этого свариваемость и стоимость.
К таким материалам относятся как технически чистые металлы, к примеру алюминий, так и сплавы, имеющие однофазную структуру и не подверженные язвенной и межкристаллитной коррозии, к примеру сталь 1Х18Н9Т, титановые сплавы ОТ4-1, ВТ5-1 и другие. Используются кроме этого плакированные материалы.
Коррозионная стойкость некоторых материалов в 20%-й азотной кислоте по десятибалльной шкале оказывается очень разной. Совсем стойкими в данной среде являются тантал и
титан (I балл), очень стойкими — золото, платина (2 балл) и сталь типа 18-8 (3 балл), стойкими — сплавы типа нихром 20-80 (4 балл), пониженно стойкими сталь с 12% хрома (6 балл) и алюминий (7 балл), малостойкими — сплавы типа силумин (8 балл) и нестойкими серебро, медные сплавы и никель (10 балл).
4. Материалы, трудящиеся в течение сотен часов при постоянных и знакопеременных нагрузках в условиях повышенных температур (200—400 °С) и действия теплосмен. Из них делают такие детали двигателей внутреннего сгорания, комирессоров и подогревательных устройств, как цилиндры, поршни, перегородки и трубы теплообменников, газораспределительные клапаны.
Все эти подробности имеют сложную геометрическую форму. Исходя из этого главными материалами для их изготовления помогают литейные стали, чугуны, силумины, ковочные алюминиевые сплавы и в некоторых случаях легированные стали.
При выборе материалов данной группы принимаются во внимание их хорошая технологичность, в частности пластичность и высокие литейные свойства, хорошие служебные особенности, в особенности вязкость и прочность, и стойкость против окисления.
Стойкость этих материалов против газовой коррозии увеличивается применением и алитированием теплостойких лакокрасочных покрытий. Особенно стойкими при повышенной температуре оказываются пленки на базе эпоксидной и полисилоксановой смол.
5. Материалы, трудящиеся в течение нескольких мин. при постоянных и комплексном воздействии и вибрационных нагрузках большой агрессивной среды и температуры. Из этих материалов изготавливают отражатели тепловых потоков, камеры сгорания, диски и лопатки газовых турбин.
Все эти подробности должны удовлетворять требованиям сохранения заданной геометрической формы, минимального веса и высокой надёжности. Исходя из этого фундаментальными служебными особенностями материалов данной группы являются сопротивляемость и жаростойкость ползучести, и большая удельная прочность при заданной температуре.
Рис. 1. Теплоустойчивость при 250° лакокрасочных пленок на базе: 1 — зтилцеллюлозы; 2 — сополимера бутилметакрилата и акриловой кислоты; 3 — эпоксидной смолы Э-41; 4 — сило-ксановой смолы АК-47; 5 — силоксано-вой смолы Ф-9
Материалы данной группы включают широкий список жаропрочных и жаростойких сталей, сплавы на никелевой, кобальтовой, молибденовой и ниобиевой базе. Удельная прочность этих материалов понижается с увеличением температуры (рис.
2) исходя из этого во многих случаях нужно проведение конструктивных мероприятий для охлаждения подробностей, действующий при больших температурах.
Рис. 2. Удельная прочность некоторых распространенных сплавов в зависимости от температуры
Для долгой работы при большой температуре эти материалы выбираются с учетом их предела долгой прочности (рис. 3).
Малонагруженные, но важные подробности типа сопловых лопаток, действующий при 900—1200 °С, смогут быть изготовлены из металлокерамических и керамических материалов, владеющих высокой жаростойкостью при удовлетворительных пластичности и жаропрочности.
Для менее важных подробностей, в особенности в конструкциях разового действия, смогут использоваться недорогие углеродистые стали, причем толщина подробностей, к примеру отражателей газового потока, выбирается с учетом разрушения материала в следствии эрозии и газовой коррозии.
Защита материалов от действия теплового потока в разных случаях осуществляется посредством асботекстолитовых покрытий, алитирования и жаростойких эмалей.
Для подробностей охлаждаемых конструкций смогут использоваться ее сплавы и медь, владеющие удовлетворительной прочностью и высокой теплопроводностью.
Рис. 3. Диапазоны значений долгой прочности главных групп материалов при разных температурах
6. Материалы, предназначенные для работы в условиях действия постоянных низких температур и нагрузок от —100 до —200 °С. Из них делают подробности разделительных аппаратов и теплообменников установок для получения технически чистых газов.
Фундаментальным служебным свойством этих материалов есть достаточная пластичность при температурах глубокого холода. Прочность их при понижении температуры возрастает и у всех материалов находится на удовлетворительном уровне.
К материалам данной группы относятся титановые сплавы, нержавеющие стали аустенитного класса, алюминиевые сплавы, и ее сплавы и медь.
Цена материалов. Одним из значительных факторов, воздействующих на выбор того либо иного материала для определенного назначения, есть его цена. Она учитывается при проектировании, ремонте и производстве техники.
Цена определяется по большей части химическим составом, состоянием и сортаментом материала. Цена чистых металлов определяется степенью их чистоты: чем чище металл, тем тяжелее его изготовить и тем, следовательно, он дороже.
Цена сплава зависит от дефицитности и стоимости главного металла и легирующих элементов. профиль и Характер сортамента, и состояние материала значительно влияет на его цена.
Так, к примеру, страницы являются дорогими, если они узкие, а прокат, если он имеет малое и сложный профиль сечение. Материал, прошедший, к примеру, термическую обработку, дороже необработанного.
Известным отражением деталей и стоимости полуфабрикатов есть цена на материал.
Рис. 4. Влияние низких температур на удельную прочность: 1 — титанового сплава типа ВТ6; 2 — нержавеющей стали; 3 — алюминиевого сплава
