Application des matériaux de construction. Propriétés et classification des matériaux de structure

MATÉRIAUX DE STRUCTURE, matériaux destinés à la fabrication de structures (parties de machines ou mécanismes, instruments, structures, véhicules, etc.) qui perçoivent des charges mécaniques. Les matériaux de structure (contrairement aux autres matériaux techniques - optiques, isolants, lubrifiants, de peinture, décoratifs, abrasifs, etc.) doivent avoir une résistance structurelle élevée, garantissant leur fonctionnement fiable et à long terme dans les conditions de fonctionnement. Les principaux critères de qualité des matériaux de structure comprennent les paramètres de résistance aux charges externes (statiques, cycliques et d'impact) - résistance, résistance spécifique (en particulier pour les matériaux de structure utilisés dans la fabrication d'avions et de fusées), résistance à la chaleur, endurance et ténacité à la rupture (résistance du matériau à la fissuration). Dans certains cas, les caractéristiques importantes des matériaux de structure sont également l'usure, la résistance thermique et à la corrosion, la soudabilité, la trempabilité, etc. Les propriétés mécaniques des matériaux de structure sont affectées (généralement négatives) par l'environnement de travail, provoquant des dommages de surface dus à la corrosion modification de la composition chimique de la couche superficielle suite à une saturation en éléments indésirables (par exemple, l'hydrogène, qui fragilise les structures métalliques). Les matériaux de structure sont utilisés dans une large plage de températures - de -269 à 2500 °C ; Pour garantir des performances à haute température, le matériau doit avoir une résistance à la chaleur et à basse température, une résistance au froid. La fabricabilité des matériaux de structure (leur usinabilité par découpe, pression, aptitude au coulage, etc.) conditionne la qualité de fabrication des pièces.

Les matériaux de structure sont subdivisés : selon la nature des matériaux - en métalliques, non métalliques et matériaux composites, selon la version technologique - pour les produits déformés (laminés, forgés, emboutis, profilés extrudés, etc.), coulés, frittés, moulés, collés, soudés (par fusion, explosion, épissure par diffusion, etc.); selon les conditions de fonctionnement - pour ceux qui fonctionnent à basse température, résistant à la chaleur, à la corrosion, au tartre, à l'usure, au carburant, à l'huile, etc. ; selon des critères de résistance - pour les matériaux de résistance faible et moyenne avec une grande marge de plasticité et les matériaux à haute résistance avec une marge de plasticité modérée.

L'acier de construction et la fonte sont les plus répandus parmi les matériaux de construction métalliques. Les aciers de construction se caractérisent par une large gamme de résistance à la traction - 200-3000 MPa; sont utilisés dans la construction, l'automobile, les avions, les tracteurs, la construction navale, etc. La résistance à la traction de la fonte, selon l'alliage, varie de 110 MPa (fonte) à 1350 MPa (fonte alliée au magnésium). La fonte est largement utilisée en construction mécanique pour la fabrication de carcasses, vilebrequins, engrenages, cylindres de moteurs à combustion interne, pièces fonctionnant à des températures allant jusqu'à 1200°C en milieu oxydant, etc. Les alliages à base de métaux non ferreux sont également largement répandus. utilisé dans divers domaines de la technologie. Les alliages de nickel et les alliages de cobalt conservent leur solidité et leur résistance à la chaleur jusqu'à 1000-1100 °C, les alliages intermétalliques basés sur le composé Ni 3 Al - jusqu'à 1200 °C ; ils sont utilisés dans les moteurs d'avions et de fusées, les turbines à vapeur et à gaz, les appareils fonctionnant dans des environnements agressifs, etc. Les alliages d'aluminium ont une rigidité spécifique nettement supérieure à celle de l'acier, la résistance à la traction des alliages forgés peut atteindre 750 MPa, fonderie - jusqu'à 550 MPa ; sont utilisés pour la fabrication de coques d'avions, d'hélicoptères, de fusées, de navires, etc. Les alliages de magnésium se distinguent par une faible densité (4 fois inférieure à celle de l'acier), ont une résistance à la traction allant jusqu'à 400 MPa et plus; ils sont principalement utilisés sous forme de pièces moulées dans les structures d'avions, dans l'industrie automobile, dans l'industrie de l'imprimerie, etc. Les alliages de titane (résistance à la traction jusqu'à 1600 MPa et plus) sont supérieurs aux alliages d'acier et d'aluminium en résistance spécifique, corrosion résistance et rigidité; ils sont utilisés pour la fabrication de compresseurs pour moteurs d'avions, d'appareils pour les industries du raffinage du pétrole et de la chimie, etc. Les alliages de zirconium, ainsi qu'une petite section efficace d'absorption des neutrons thermiques, ont une résistance, une ductilité et une résistance à la corrosion dans des environnements agressifs; sont utilisés dans l'industrie électronucléaire pour les éléments structuraux du cœur des réacteurs des centrales nucléaires. Une augmentation des propriétés de performance des matériaux de structure métalliques obtenus par des méthodes traditionnelles est associée à l'utilisation de poudres métalliques alliées et nanocristallines.

Les matériaux de structure non métalliques comprennent les matériaux polymères, la céramique, les réfractaires, le verre, le caoutchouc et le bois. Les thermoplastiques (polystyrène, polyméthacrylate de méthyle, polyamides, fluoroplastiques), ainsi que les thermoplastiques, sont utilisés dans des pièces d'équipements électriques et radio, des unités de friction fonctionnant dans divers milieux, y compris chimiquement actifs : carburants, huiles, etc. Verres (silicate, quartz , organique ) et les triplex basés sur eux sont utilisés pour le vitrage des navires, des avions, des fusées; les matériaux céramiques sont utilisés pour fabriquer des pièces fonctionnant à haute température. Les réfractaires sont principalement utilisés en métallurgie ferreuse et non ferreuse dans la fabrication de revêtements réfractaires dans des unités fonctionnant à haute température (plus de 900 °C). Les caoutchoucs à base de divers caoutchoucs, renforcés de tissus cordés, sont utilisés pour la fabrication de pneumatiques ou de roues monolithiques d'avions et d'automobiles, ainsi que de divers joints mobiles et fixes. Le bois est utilisé comme traverses, supports pour les industries charbonnières et minières, pour la production structures de construction, maisons, etc...

Les matériaux de structure composites en termes de résistance spécifique et de module d'élasticité spécifique sont de 50 à 100 % supérieurs à l'acier ou aux alliages d'aluminium et permettent une réduction de la masse des structures de 20 à 50 %. Les matériaux de structure composites (plastiques carbone, organoplastiques, organotextolites, plastiques aluminium-verre, etc.) sont largement utilisés dans la construction d'avions, de fusées, dans l'ingénierie énergétique, l'ingénierie des transports, etc.

L'obtention de nouveaux matériaux structuraux aux propriétés améliorées (par rapport aux matériaux structuraux traditionnels) est associée à la synthèse de matériaux à structure submicroscopique à partir d'éléments aux propriétés limitantes (résistance ultime, réfractaire, thermostable), ainsi qu'à l'utilisation de méthodes spéciales fabrication (augmentant considérablement la résistance et la durabilité des matériaux). Par exemple, pour les matériaux de structure métalliques, la cristallisation directionnelle des aciers et alliages est utilisée pour obtenir des pièces moulées à structure de grains colonnaires, des pièces monocristallines en alliages de nickel avec une certaine orientation cristallographique par rapport aux contraintes agissantes (aubes de turbine à gaz) ; pour les matériaux de structure non métalliques, des méthodes d'orientation de macromolécules linéaires sont utilisées matériaux polymères, modification avec des nanoparticules (fullerènes, nanotubes, nanofibres), création de nanocomposites polymères.

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Matériaux de structure, matériaux à partir desquels sont fabriquées des parties de structures (machines et structures) qui perçoivent une charge de puissance. Les paramètres définissant les matériaux de structure sont des propriétés mécaniques qui les distinguent des autres matériaux techniques (optique, isolant, lubrifiant, peinture, décoratif, abrasif, etc.). Du fait que les détails des mécanismes modernes fonctionnent sous des charges alternées complexes, des températures élevées, etc., les principaux critères de qualité des matériaux de structure incluent les paramètres de résistance aux charges externes: résistance, viscosité, fiabilité, durée de vie. Les principaux matériaux de structure sont les alliages métalliques à base de fer (fonte et acier), de cuivre (bronze et laiton), de plomb et d'étain.

Alliages à base de fer. Fonte. Devenir. Classification des aciers, nuances d'acier. Application dans les dispositifs mécaniques (arbres, engrenages, fixations).

fonte

Ce sont des alliages fer-carbone contenant des impuretés constantes de manganèse, de silicium, de phosphore et de soufre, ainsi que, si nécessaire, des éléments d'alliage.

Selon la structure et l'état dans lequel se trouve le carbone (libre ou lié chimiquement), on distingue les fontes grises, blanches et malléables. Les fontes sont également classées en fonction de leur objectif - en structures et avec des propriétés spéciales ; et de la composition chimique - en alliage et non allié.

En tant que matériau de structure, les fontes grises sont les plus utilisées, dans lesquelles tout le carbone est à l'état libre sous la forme d'inclusions de graphite lamellaire. Ils ont une résistance moyenne, une bonne coulée et d'autres propriétés technologiques (fluidité, faible retrait linéaire, usinabilité), sont insensibles à la concentration de contraintes alternées et sont antifriction.

Dans les fontes blanches, le carbone en excès qui ne s'est pas dissous dans une solution solide de fer est présent sous forme de carbures de fer. En raison de faibles propriétés mécaniques - fragilité et dureté élevées, mauvaise usinabilité - les fontes blanches ne sont pas utilisées comme matériaux de structure.

La fonte ductile est obtenue à partir de blanc par recuit ultérieur jusqu'à ce que le graphite se décompose sous forme de flocons. Les détails de celui-ci peuvent être sujets à des déformations mineures. Elles sont moins cassantes que les pièces en fonte grise, mais coûtent 30... 100 % de plus.

La fonte ductile se caractérise par une forme sphérique ou proche d'inclusions de graphite, qui est obtenue en modifiant la fonte liquide avec des additifs de magnésium. Le graphite nodulaire affaiblit le moins possible la base métallique, ce qui conduit à des propriétés mécaniques élevées. La fonte ductile a de bonnes propriétés de coulée et de service.

Devenir

Les aciers sont des alliages forgés de fer avec du carbone et d'autres éléments.

Par composition chimique les aciers sont divisés en aciers au carbone et en aciers alliés.

Sur rendez-vous les aciers sont divisés en aciers de construction, à outils et avec des propriétés spéciales. Plus

Par qualité les aciers sont divisés en aciers ordinaires, de haute qualité, de haute qualité et de très haute qualité.

Par la nature du gel de l'état liquide degré de désoxydation distinguer l'acier calme, semi-calme et bouillant.

Timbres les aciers au carbone de qualité ordinaire sont indiqués par des lettres
St (acier) et les chiffres de 0 avant de 6 , Par example St0 – St6. Les chiffres correspondent au numéro de marque conditionnel, en fonction de la composition chimique et des propriétés mécaniques. Plus le nombre est grand, plus la teneur en carbone de l'acier est élevée, plus la résistance est élevée et plus la ductilité est faible. Ces aciers sont divisés en trois groupes - UNE, B et V. Groupe acier UNE possède des propriétés mécaniques garanties et ne subit pas de traitement thermique, le groupe A n'est pas indiqué dans la nuance d'acier. Pour bande d'acier B Composition chimique garantie, pour groupe acier V– composition chimique et propriétés mécaniques.

Degré de désoxydation indiqués par des indices à droite du numéro de marque : kp- ébullition ps- semi-calme CN- calme. Par exemple, acier St2kp– groupe acier UNE, ébullition; Bst3ps– groupe acier B, semi-calme ; VSt5sp– groupe acier V, calme.

Aciers de qualité carboneétiqueté avec deux chiffres (08, 10, 15, …, 70) , indiquant la teneur moyenne en carbone de l'acier en centièmes de pour cent. Ces aciers peuvent être conditionnellement divisés en plusieurs groupes. Devenir 08, 10 avoir une grande plasticité, bien estampé et soudé. Aciers bas carbone 15, 20, 25 ils sont bien soudés et traités par découpe, après carburation et traitement thermique, ils ont une résistance à l'usure accrue.

Aciers à outils au carbone marqué d'une lettre À et des nombres qui correspondent à la teneur en carbone en dixièmes de pour cent, par exemple, la nuance d'acier U9 contient en moyenne 0,9 % de carbone.

Marquer les aciers alliés lettres et chiffres indiquant sa composition chimique. Les premiers chiffres des nuances avant les lettres indiquent la teneur en carbone des aciers de construction en centièmes de pour cent (deux chiffres) et des aciers à outils et spéciaux - en dixièmes. En outre, la désignation se compose de lettres indiquant quels éléments d'alliage font partie de l'acier et de chiffres suivant immédiatement chaque lettre caractérisant la teneur moyenne de l'élément d'alliage en pourcentage. Les chiffres derrière la lettre ne sont pas mis lorsque la teneur en élément d'alliage est inférieure à 1,5%. Les éléments d'alliage sont désignés par les lettres suivantes : J- du titane, AVEC- du silicium, g- manganèse, X- chromé H– le nickel, M- du molybdène, V- tungstène, etc. Par exemple, l'acier inoxydable Х18Н10Т contient 18 % de chrome, 10 % de nickel et jusqu'à 1,5 % de titane ; acier allié structurel 30HGS contient 0,30 % de carbone et du chrome, du manganèse et du silicium jusqu'à 1,5 % chacun ; outil en acier allié 9XC contient 0,9 % de carbone, et du chrome et du silicium jusqu'à 1,5 % chacun. dans les aciers 30HGS et 9XC plus de 0,8% de silicium, de manganèse dans l'acier 30HGS plus de 1 %.

Certaines désignations de nuances d'acier spéciales incluent une lettre devant indiquant le but de l'acier. Par exemple, une lettre O– acier à roulement à billes ( ShKh15– avec une teneur en chrome ≈ 1,5%), E– génie électrique, etc.

Le plus souvent, les aciers au carbone et alliés suivants sont utilisés comme matériaux pour les arbres et les essieux : aciers de haute qualité 40, 45, 50 , acier 40X– pour les arbres avec traitement thermique ; devenir 20, 20X- pour arbres rapides sur paliers lisses avec cémentation superficielle des axes ; aciers au carbone de qualité ordinaire St4, St5- pour les arbres non critiques sans traitement thermique ; acier Х18Н10Т– pour arbres non magnétiques résistants à la corrosion.

Dans la fabrication de roues cylindriques et coniques, les aciers traités thermiquement sont le matériau principal. Pour des vitesses de denture périphérique jusqu'à 3m/s utiliser de l'acier de haute qualité 20, 30, 35 , et à des vitesses circonférentielles plus élevées - acier 45, 50 , aciers à outils U8A, U10A et aciers alliés 20H, 40H, 40HN, 30HGSA, 12HN3A avec un traitement thermique approprié (normalisation, trempe, amélioration - trempe avec revenu élevé). Il est recommandé de choisir la dureté des dents de l'engrenage (elles sont plus chargées) de (20 ... 50) HB de plus que la dureté des dents de la roue. Par conséquent, ils essaient de prendre le matériau des engrenages plus durable que le matériau des roues.

Boulons, vis, écrous sont en aciers au carbone et alliés. Attaches usage général sont généralement fabriqués à partir de nuances d'acier St3, St4, St5 sans traitement thermique ultérieur. Les pièces les plus critiques sont en acier 35, 45, 40X, 40XH avec traitement thermique de surface ou général. Les petites vis sont en laiton LS59-1, duralumin D1, D16. Pour protéger la surface des fixations de la corrosion, pour leur donner la couleur souhaitée, un zingage, un chromage et un cadmiage sont utilisés. Les goupilles sont en acier 45, A12, U8. Les clés sont fabriquées à partir d'aciers à carbone moyen 40, 45, St6.

Alliages à base de cuivre et d'aluminium. Classification, désignation, avantages et inconvénients. L'utilisation d'alliages comme matériaux de structure dans des dispositifs mécaniques (éléments élastiques, supports).

Cuivre et ses alliages

Le cuivre sous sa forme pure se caractérise par une conductivité électrique et thermique élevée, une bonne maniabilité par pression, une faible résistance et est utilisé pour la fabrication de pièces conductrices. Suite application large ont reçu des alliages de cuivre : laiton et bronze. En laiton, le principal élément d'alliage est le zinc, en bronze - d'autres éléments.

Les éléments d'alliage dans les nuances d'alliages de cuivre sont désignés par les lettres suivantes : UNE– aluminium, H– le nickel, O- étain, C- du zinc, AVEC- mener, F- le fer, Mts- manganèse, À- du silicium, F- du phosphore, J- titane.

Laiton divisé en alliages binaires et multicomposants. En double, la teneur en zinc peut atteindre jusqu'à 50 %. Les marques de ces laitons sont désignées par la lettre L et un chiffre indiquant le pourcentage de cuivre, par exemple L59. Pour améliorer les propriétés mécaniques, technologiques et de corrosion, en plus du zinc, divers éléments d'alliage (aluminium, silicium, manganèse, étain, fer, plomb) sont introduits dans le laiton en petites quantités. Dans les nuances de laitons multicomposants, les premiers chiffres indiquent la teneur moyenne en cuivre et les suivants indiquent les éléments d'alliage. Par exemple, le laiton LKS80-3-3 contient 80 % de cuivre, 3 % de silicium et de plomb, et le reste est du zinc.

Les marques de bronzes et d'alliages cuivre-nickel commencent respectivement par les lettres BR et M, et les lettres et chiffres suivants indiquent la présence d'éléments d'alliage et, par conséquent, leur pourcentage. Par exemple, le bronze BroCS 5-5-5 contient 5 % d'étain, de zinc et de plomb ou un cupronickel d'alliage cuivre-nickel MH19 contient 19 % de nickel.

Les bronzes sont nommés selon les principaux éléments d'alliage : étain, aluminium, béryllium, silicium, etc. Les bronzes à l'étain sont largement utilisés, ils se caractérisent haute résistance contre l'abrasion, faible frottement de glissement. Tous les alliages de cuivre ont une bonne résistance à la corrosion atmosphérique.

Le laiton et le bronze sont utilisés comme matériaux de structure. En particulier, le laiton L63, qui se caractérise par une ductilité élevée, est utilisé pour la fabrication de pièces conductrices et structurelles telles que des cosses, des bagues, des rondelles et du laiton. LK80-3L- pour la fabrication de pièces moulées. Bronzes sans étain BrAZh9-4, BRAMts9-2 ils ont des propriétés mécaniques et antifriction élevées, sont bien traités, ils sont donc utilisés dans la fabrication de petits engrenages et roues à vis sans fin, de bagues de palier lisse, d'écrous de roulement dans les mécanismes à vis. Les bronzes à l'étain ont les meilleures propriétés antifriction.

En raison de sa grande résistance et de son élasticité, le bronze au béryllium de la marque occupe une place particulière dans la fabrication d'éléments élastiques. BrB2. Il est amagnétique, résistant au gel, à l'eau douce et salée, bien soudé et usiné. Il est utilisé pour la fabrication de pièces critiques telles que les contacts à ressort conducteurs de courant, les ressorts, les membranes.

La résistance des alliages de cuivre, en particulier du laiton, est inférieure à celle des aciers et la résistance à la corrosion est bien supérieure. Tous les laitons et la plupart des bronzes, à l'exception de l'aluminium, se brasent bien.

Le matériau de la douille doit être résistant à l'usure, bien rodé et avoir un coefficient de frottement minimum associé au matériau du tourillon. Pour les tourillons en acier, ces conditions sont satisfaites : à hautes pressions et faibles vitesses circonférentielles - bronze BrAZh9-4 et laiton LS59-1; à hautes pressions et vitesses - bronze BrOF10-1 et BrOTsS-5-5-5.

Les ressorts de contact et de couple anti-magnétiques et résistants à la corrosion sont en phosphore BrOF 6-0.15, BrOF 4-0.2 et béryllium BrB2 bronze

Les ressorts manométriques tubulaires, les soufflets, les diaphragmes et les boîtes à diaphragme sont en laiton L62, L68, L80, bronze BrOF4–0,2.

Les bandes de bronze sont utilisées comme matériau pour les ressorts hélicoïdaux. BrOF 6,5-0,15.

Les membranes métalliques sont constituées de bronzes au phosphore et au béryllium.

Les soufflets sont fabriqués sans soudure ou soudés en laiton L80, bronzes au béryllium BrB2, BrB2.5.

Fabriqué à partir de ressorts tubulaires en laiton L80 ou bronze.

Aluminium et ses alliages

L'aluminium pur est rarement utilisé, car il a une faible résistance. Le plus souvent, les alliages à base d'aluminium sont utilisés dans la fabrication de pièces. Ils ont une faible densité, une conductivité électrique et thermique élevée, une résistance à la corrosion et une résistance spécifique. Les alliages d'aluminium, en fonction des propriétés technologiques, sont divisés en forgé et coulé.

Les alliages corroyés les plus répandus sont durcis thermiquement par trempe et vieillissement des alliages aluminium-cuivre-magnésium et aluminium-magnésium. Les premiers sont appelés duralumins (marques D1, D16), de la deuxième marque d'alliage la plus utilisée AMg6. Ils ont des propriétés mécaniques élevées, sont produits sous forme de barres, de feuilles, de tuyaux, de profilés façonnés. Ils sont utilisés pour les pièces moyennement chargées telles que les crémaillères, les couvercles, les bagues, etc. L'alliage aluminium-magnésium-zinc à haute résistance appartient à déformable B95, qui est utilisé pour les pièces avec des charges statiques accrues (arbres, engrenages).

Les alliages d'aluminium dits frittés sont déformables et se caractérisent par des propriétés de résistance très élevées (module d'élasticité, résistance à la traction σ ut et limite d'élasticité σ y). Ils sont de deux types : MORVE(poudre d'aluminium frittée) et CAC(alliage d'aluminium fritté). MORVE durci par des particules dispersées d'oxyde d'aluminium Al 2 O 3 formé dans le processus de broyage de poudre d'aluminium dans une atmosphère d'azote avec un apport contrôlé d'oxygène. La poudre est briquetée, frittée et soumise à une déformation - pressage, laminage, forgeage. En fonction de la teneur en Al 2 O 3 (la résistance de l'alliage augmente avec une augmentation de l'oxyde d'aluminium à 20 - 22%), 4 nuances sont distinguées SAP (SAP-1, SAP-2, SAP-3 et SAP-4). Alliages CAC contenir jusqu'à 25 % de silicium et 5 % de fer. Ils sont obtenus par pulvérisation d'un alliage liquide, briquetage des granulés résultants et déformation ultérieure. Les alliages d'aluminium frittés sont utilisés pour la fabrication de pièces fortement chargées (corps de blocs, cadres, crémaillères, etc.) et de profilés divers.

Parmi les alliages d'aluminium coulé, les alliages aluminium-silicium - les silumines - sont les plus largement utilisés. Ils ont une bonne coulée et des propriétés mécaniques moyennes. Tampons Silumin AL-2, AL-4, AL-9 sont utilisés pour la coulée de boîtiers, couvercles, supports et autres pièces complexes à charge moyenne.

L'aluminium et ses alliages sont difficiles à souder.

1.

2. Matériaux d'origine et méthodes de production d'aluminium.

3. Propriétés et usages du bois.

4.

1. Classification des propriétés des matériaux de structure. Propriétés opérationnelles, leurs indicateurs.

Les matériaux de structure sont appelés matériaux à partir desquels sont fabriquées des parties de structures (machines et structures) qui perçoivent une charge de puissance. Les paramètres définissant les matériaux de structure sont des propriétés mécaniques qui les distinguent des autres matériaux techniques (optique, isolant, lubrifiant, peinture, décoratif, abrasif, etc.). Les principaux critères de qualité des matériaux de structure comprennent les paramètres de résistance aux charges externes : résistance, ténacité, fiabilité, durée de vie, etc.

Les matériaux de structure sont subdivisés (Fig. 1): selon la nature des matériaux - en matériaux métalliques, non métalliques et composites, combinant les propriétés positives de ceux-ci et d'autres matériaux; selon la conception technologique - déformés (produits laminés, forgés, emboutis, profilés extrudés, etc.), coulés, frittés, moulés, collés, soudés (par fusion, explosion, liaison par diffusion, etc.); selon les conditions de travail - pour ceux qui travaillent à basse température, résistant à la chaleur, à la corrosion, au tartre, à l'usure, au carburant, à l'huile, etc. ; selon des critères de résistance - pour les matériaux de faible et moyenne résistance avec une grande marge de plasticité, les matériaux à haute résistance avec une marge de plasticité modérée.

Le développement de la technologie impose de nouvelles exigences plus élevées aux matériaux de structure existants et stimule la création de nouveaux matériaux. Afin de réduire la masse des structures d'aéronefs, on utilise par exemple des structures multicouches alliant légèreté, rigidité et résistance. Le renforcement externe des volumes fermés métalliques (billes, cylindres, cylindres) avec de la fibre de verre permet de réduire considérablement leur poids par rapport aux structures métalliques. De nombreux domaines de la technologie nécessitent des matériaux de structure qui combinent une résistance structurelle avec des propriétés électriques, de protection thermique, optiques et autres élevées.

Riz. 1. Schéma de classification des matériaux de structure

Lors du choix d'un matériau pour un produit ou une conception particulière, ils prennent en compte la faisabilité économique de son utilisation (correspondance entre prix et qualité), la préservation des critères structurels (durabilité, résistance, fiabilité requises) et la possibilité de transformation en un produit (critères technologiques - usinabilité, soudabilité, malléabilité, etc.). . P.). Compte tenu de ces critères, un matériau d'une nature ou d'une autre est choisi.

matériaux métalliques. Ceux-ci incluent les métaux et les alliages à base de ceux-ci. Ils sont à leur tour divisés en plusieurs groupes qui diffèrent les uns des autres par leurs propriétés:

1. Métaux ferreux. Ce sont le fer et les alliages à base de celui-ci - aciers et fontes;

2. Métaux non ferreux. Ce groupe comprend les métaux et leurs alliages, tels que le cuivre, l'aluminium, le titane, le nickel, etc. ;

3. Métaux nobles. Ceux-ci incluent l'or, l'argent, le platine; 4. Métaux de terres rares. Ce sont le lanthane, le néodyme, le praséodyme.

matériaux non métalliques. Ils sont également divisés en plusieurs groupes :

1. Plastiques. Ce sont des matériaux à base de composés macromoléculaires - polymères, principalement avec des charges ;

2. Matériaux céramiques (céramique). Ils sont à base de poudres de composés réfractaires tels que les carbures, les borures, les nitrures et les oxydes. Par exemple : TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2, etc. ;

3. Matériaux céramo-métalliques (cermet). Dans ces matériaux, la base est la céramique, à laquelle une certaine quantité de métal est ajoutée, qui est un liant et fournit des propriétés telles que la ductilité et la ténacité;

4. Verre. C'est un système d'oxydes divers éléments, principalement oxyde de silicium SiO2;

5. Caoutchouc. Ce sont des matériaux à base de caoutchouc - un polymère hydrogène-carbone avec addition de soufre et d'autres éléments;

6. Arbre. Le tissu organique complexe des plantes ligneuses.

Matériaux composites. Ce sont des matériaux obtenus artificiellement à partir de deux ou plusieurs divers matériaux, qui sont très différents les uns des autres dans les propriétés. En conséquence, la composition dans ses propriétés diffère considérablement des propriétés des composants constitutifs, c'est-à-dire que le matériau résultant a un nouvel ensemble de propriétés. La composition des matériaux composites peut inclure à la fois des composants métalliques et non métalliques.

Classification des propriétés des matériaux de structure

1. Propriétés mécaniques caractérisé par la capacité du matériau à résister à la déformation et à l'effondrement sous l'influence de facteurs d'influence externes.

· Force - c'est la capacité d'un matériau à résister à la destruction et à se déformer plastiquement sous l'influence de charges externes ;

· Dureté est la capacité des matériaux à résister à la déformation dans la couche de surface sous un impact local, de contact et de force ;

· Élasticité - c'est la capacité d'un matériau à restaurer sa forme et sa taille, sous l'influence de forces extérieures sans destruction ;

· Viscosité - la capacité du matériau à absorber l'énergie mécanique et en même temps à subir une déformation plastique importante avant rupture ;

· fragilité - c'est la capacité du matériau à s'effondrer sous l'action de forces extérieures, immédiatement après déformation élastique.

2. Propriétés physiques caractériser la surface du matériau dans les champs thermiques, gravitationnels, électromagnétiques et radioactifs.

· Lumière - c'est la capacité d'un matériau à réfléchir les rayons lumineux avec une certaine longueur d'onde lumineuse ;

· Densité est la masse par unité de volume de la substance;

· Température de fusion - est la température à laquelle une substance passe d'une phase solide à une phase liquide ;

· Conductivité électrique - c'est la capacité du matériau à bien conduire et sans perte électricité;

· Conductivité thermique est la capacité d'un matériau à supporter l'énérgie thermique d'une zone plus chaude à une zone moins chauffée ;

· Capacité thermique - c'est la capacité d'un matériau à absorber une certaine quantité de chaleur ;

· Propriétés magnétiques - la capacité du matériau à être bien magnétisé ;

· Coefficient de dilatation volumétrique et linéaire - caractérise le changement de taille corporelle avec un changement de température.

3. Propriétés technologiques caractérisé par la capacité du matériau à subir différents types de travail à chaud et à froid.

Propriétés de coulée ; Il comprend fluidité - la capacité des métaux et alliages à s'écouler dans les canaux du moule et à le remplir. Occupation - il caractérise la capacité des métaux et alliages à reproduire le contour des pièces coulées dans des sections particulièrement minces, où l'action des forces capillaires se manifeste largement. Retrait volumétrique - caractérise le changement de volume du métal avec une température décroissante à l'état liquide, dans le processus de solidification et de refroidissement métal solide. Retrait linéaire - traduit l'évolution des dimensions linéaires de la coulée après formation d'un squelette cristallin rigide à sa surface et refroidissement à température ambiante.

· Ductilité (important dans le traitement sous pression) est la capacité des métaux et alliages à subir le forgeage et d'autres types de traitement sous pression (laminage, étirage, pressage, estampage);

· Soudabilité (c'est un indicateur de combien le matériau peut montrer des joints soudés);

· Usinage;

· Trempabilité ;

· Trempabilité.

4. propriétés opérationnelles, caractériser la capacité des matériaux à assurer un fonctionnement fiable et durable des produits dans des conditions et un fonctionnement spécifiques, sur la base de propriétés mécaniques, physiques et chimiques.
propriétés opérationnelles. Ces propriétés sont déterminées en fonction des conditions de fonctionnement de la machine par des essais spéciaux. L'une des propriétés opérationnelles les plus importantes est la résistance à l'usure, la résistance au froid, la résistance à la chaleur, l'antifriction, etc.

Résistance à l'usure - la propriété d'un matériau à résister à l'usure, c'est-à-dire à un changement progressif de la taille et de la forme du corps en raison de la destruction de la couche superficielle du produit lors du frottement. Les tests d'usure des métaux sont effectués sur des échantillons dans des conditions de laboratoire et sur des pièces - en fonctionnement réel. Lors du test d'échantillons, des conditions de frottement simulées sont proches des conditions réelles. Le degré d'usure des échantillons ou des pièces est déterminé différentes façons: mesurer des dimensions, peser des échantillons et autres méthodes.

Résistance au froid - la capacité des matériaux, des éléments, des structures et de leurs composés à résister à la rupture fragile à de basses températures ambiantes.

La résistance à la chaleur est la capacité d'un métal à résister à la déformation plastique et à la rupture à des températures élevées. Les matériaux résistants à la chaleur sont utilisés pour la fabrication de pièces fonctionnant à des températures élevées, lorsque le phénomène de fluage a lieu. Les critères d'évaluation de la résistance à la chaleur sont la résistance à court et à long terme, le fluage.

L'anti-friction est la capacité d'un matériau à fournir un faible coefficient de frottement de glissement et donc de faibles pertes par frottement et un faible taux d'usure de la pièce d'accouplement.

5. Chimique Propriétés caractérise la capacité d'un matériau à entrer en interaction chimique avec d'autres substances.

· Solubilité (la capacité d'un matériau à former des systèmes homogènes avec une ou plusieurs substances, appelées solutions) ;

· Résistance à la chaleur (la capacité d'un matériau à résister à la dégradation chimique de la surface par l'air ou une autre atmosphère oxydante à des températures élevées) ;

· Résistance à la corrosion (aptitude matériaux métalliques résister à la destruction à la suite d'une action chimique ou électrochimique sur leurs surfaces d'un environnement extérieur agressif (une propriété similaire pour les matériaux non métalliques - résistance chimique ));

· Oxydation (la capacité des matériaux à donner des électrons, c'est-à-dire à s'oxyder par interaction chimique avec environnement ou autre sujet).

2. Matériaux d'origine et méthodes de production d'aluminium.

L'aluminium est l'un des métaux les plus importants, et le montant de sa production dépasse de loin la production de tous les autres métaux non ferreux et n'arrive qu'en second lieu après la production d'acier. La grande popularité de l'aluminium est due à ses propriétés physiques et chimiques uniques, grâce auxquelles il a trouvé une large application dans l'ingénierie électrique, l'ingénierie aéronautique et automobile, les transports, les appareils électroménagers, la construction, l'emballage. produits alimentaires etc.

Depuis peu, l'ingénierie mécanique fait de plus en plus appel aux métaux légers, notamment dans l'industrie aéronautique, la science des fusées, l'industrie nucléaire et le transport ferroviaire. Par conséquent, le développement de nouvelles méthodes plus économiques pour obtenir de l'aluminium et l'amélioration des méthodes existantes sont d'une grande importance.

L'électrolyse des masses fondues cryolite-alumine est la principale méthode d'obtention de l'aluminium, bien que certains alliages d'aluminium soient obtenus par méthode électrothermique.

Les premiers électrolyseurs industriels étaient destinés à des courants allant jusqu'à 0,6 kA et au cours des 100 années suivantes, ils sont passés à 300 kA. Cependant, cela n'a pas apporté de changements significatifs aux bases du processus de fabrication.

Le schéma général de la production d'aluminium est illustré à la fig. 2. L'unité principale est l'électrolyseur. L'électrolyte est une masse fondue de cryolithe avec un léger excès de fluorure d'aluminium, dans laquelle de l'alumine est dissoute. Le procédé est mis en oeuvre à des concentrations variables d'alumine d'environ 1 à 8% (wt.). Par le haut, une anode en carbone est descendue dans le bain, partiellement immergée dans l'électrolyte. Il existe deux principaux types d'anodes sacrificielles : autocuites et précuites. Les premiers utilisent la chaleur de l'électrolyse pour griller la masse anodique, constituée d'un mélange de coke de charge et d'un liant, le brai. Les anodes cuites sont un mélange précuit de coke et de liant de brai.

Riz. 2 Schéma de production d'aluminium à partir d'alumine.

L'aluminium fondu à la température d'électrolyse (950 - 960°C) est plus lourd que l'électrolyte et se trouve au fond de l'électrolyseur. Les masses fondues de cryolite-alumine sont très agressives, auxquelles peuvent résister les matériaux carbonés et certains nouveaux matériaux. Parmi ceux-ci, le revêtement intérieur de l'électrolyseur est fabriqué.

Pour convertir le courant alternatif en courant continu, les usines modernes utilisent des redresseurs à semi-conducteurs avec une tension de 850V et un taux de conversion de 98,5%, installés dans une sous-station de conversion au silicium (CPS). Une unité de redressement fournit un courant allant jusqu'à 63 kA. Le nombre de ces unités dépend de l'intensité du courant requis, car elles sont toutes connectées en parallèle.

Le processus se déroulant dans l'électrolyseur consiste en la décomposition électrolytique de l'alumine dissoute dans l'électrolyte. L'aluminium est libéré sur une cathode d'aluminium liquide, qui est périodiquement versée à l'aide d'une poche à vide et envoyée au département de fonderie pour être coulée ou dans un mélangeur, où, en fonction de la destination ultérieure du métal, des alliages avec du silicium, du magnésium, du manganèse, du cuivre sont préparés ou un affinage est effectué. A l'anode, le carbone est oxydé par l'oxygène libéré. Le gaz d'échappement de l'anode est un mélange de CO2 et de CO.

Les électrolyseurs sont généralement équipés d'abris qui éliminent les gaz d'échappement et d'un système de nettoyage. Cela réduit la libération de substances nocives dans l'atmosphère. Le procédé technologique nécessite que l'abri soit étanche pour assurer l'aspiration du gaz dans le collecteur à l'aide de ventilateurs. Les gaz extraits des électrolyseurs sont dominés par le dioxyde de carbone ( la plupart de le monoxyde de carbone est brûlé soit au-dessus de l'électrolyte soit dans des brûleurs spéciaux après la cloche de collecte des gaz), azote, oxygène, fluorures gazeux et solides et particules de poussière d'alumine. Divers schémas technologiques sont utilisés pour les éliminer et les renvoyer dans le processus.

Les électrolyseurs modernes sont équipés d'un système d'alimentation automatique en alumine (AAF) avec une période de chargement de 10 à 30 min.

La réaction globale se produisant dans l'électrolyseur peut être représentée par l'équation

Ainsi, théoriquement, l'alumine et le carbone d'anode sont consommés pour le procédé d'électrolyse, ainsi que la puissance électrique nécessaire non seulement à la mise en oeuvre du procédé électrolytique - la décomposition de l'alumine, mais également au maintien d'une température de fonctionnement élevée. En pratique, une certaine quantité de sels fluorés est également consommée, qui s'évapore et est absorbée par la doublure. Pour obtenir 1 tonne d'aluminium, il vous faut :

La production d'aluminium est l'un des processus les plus énergivores, c'est pourquoi les fonderies d'aluminium sont construites à proximité des sources d'énergie.

Tous les matériaux fournis pour l'électrolyse doivent contenir un minimum d'impuretés plus électropositives que l'aluminium (fer, silicium, cuivre, etc.), car ces impuretés passent presque complètement dans le métal lors de l'électrolyse.

Production électrothermique d'alliages aluminium-silicium.

Il est impossible d'obtenir de l'aluminium pur par réduction directe de son oxyde. Les procédés carbothermiques nécessitent des températures élevées (environ 2000°C) pour réduire l'alumine, et en l'absence de composants formant un alliage, le métal se lie au carbone, donnant du carbure d'aluminium (A14C3). On sait que le carbure d'aluminium et l'aluminium sont solubles l'un dans l'autre et forment des mélanges très réfractaires. De plus, A14C3 se dissout dans A12O3; par conséquent, à la suite de la réduction de l'oxyde d'aluminium avec du carbone, on obtient des mélanges d'aluminium, de carbure et d'oxyde qui ont des points de fusion élevés. Il n'est généralement pas possible de libérer une telle masse du four. Même si cela peut être fait, le coût de la séparation sera élevé.

Le schéma technologique général pour la production d'alliages aluminium-silicium est illustré à la fig. 3. Outre les kaolins (Al2O3×2SiO2×2H2O), les kyanites (Al2O3×SiO2), les distensillimanites (Al2O3×SiO2) et les bauxites à faible teneur en fer peuvent être utilisées comme matière première.

L'alliage après fusion électrique est fourni pour la purification des impuretés non métalliques. Pour ce faire, un flux est fourni, constitué d'un mélange de cryolithe et de chlorure de sodium, qui mouille ces impuretés et les "collecte". Le silicoaluminium raffiné a une composition moyenne (%) : A1 - 61 ; Si-36; Fe - 1,7; Ti-0,6; Zr - 0,5 ; Ca - 0,7. Cet alliage ne convient pas à la production de silumine et nécessite une purification à partir du fer. La méthode de purification la plus courante est le manganèse, qui forme des composés intermétalliques réfractaires avec le fer.

Riz. 3. Schéma général pour la production d'alliages aluminium-silicium.

L'alliage résultant est dilué avec de l'aluminium électrolytique technique ou de l'aluminium secondaire jusqu'à une composition correspondant à différentes qualités de silumine, et coulé en lingots.

Les avantages de cette méthode d'obtention de silumine par rapport à la fusion d'aluminium électrolytique avec du silicium cristallin sont les suivants : puissance élevée d'une seule unité - les fours modernes ont une puissance de 22,5 Mo × A, soit environ 30 fois plus que la puissance d'un cellule électrolytique de 160 kA et, par conséquent, une diminution des flux de fret , une réduction des coûts d'investissement et des coûts de main-d'œuvre ; l'utilisation de matières premières à faible module en silicium dont les réserves sont par nature assez importantes.

Théoriquement, l'aluminium pur peut être isolé d'un alliage aluminium-silicium par diverses méthodes. Cependant, en raison de la complexité de la conception matérielle et technologique dans l'industrie, ces méthodes ne sont pas actuellement mises en œuvre.

Ce processus

Le schéma d'obtention de l'aluminium par la méthode Thoth est illustré à la fig. 4. Les matières premières contenant de l'aluminium après une préparation appropriée sont chlorées dans un lit fluidisé en présence de coke et de SiCl4. Ce dernier est utilisé pour supprimer la réaction de chloration du SiO2. À la suite de la chloration dans des fours à lit fluidisé (BF), un mélange gaz-vapeur (VGM) est obtenu, qui comprend A1C13, FeCl3, TiCl4 et SiCl4. Dans le premier condenseur, environ 75% du FeCl3 à l'état solide est libéré du PGM et est envoyé au réacteur oxydant, où il interagit avec l'oxygène atmosphérique, entraînant la formation de Fe2O3 et de C12. Le chlore est renvoyé pour la chloration. Dans le deuxième condenseur, le FeCl3 restant est libéré et A1C13 se condense. Les chlorures de titane et de silicium sont condensés dans le troisième condenseur. La séparation de ces chlorures est effectuée dans une colonne à distiller.

Riz. 4. Schéma d'obtention de l'aluminium par la méthode Thoth.

Les chlorures d'aluminium et de fer, déchargés du deuxième condenseur, sont chauffés, pompés dans un nettoyeur de contact, où ils entrent en contact à contre-courant avec une couche mobile de particules solides d'aluminium. C'est là que la réaction a lieu :

Le chlorure d'aluminium purifié est introduit dans la réduction métallothermique. Les agents réducteurs techniquement disponibles qui ont une plus grande affinité pour le chlore que l'aluminium sont le sodium, le magnésium et le manganèse. Cependant, les deux premiers éléments de la route et leur production sont très énergivores. Par conséquent, selon les développeurs du procédé, l'utilisation du manganèse présente certains avantages, qui peuvent être régénérés à partir du chlorure par la méthode carbothermique avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Lors de la réduction du chlorure d'aluminium avec du manganèse, les réactions suivantes se produisent :

L'aluminium provenant d'un mélange de MnCl2 avec AlCl3 n'ayant pas réagi est séparé dans des séparateurs à cyclone, et les chlorures de manganèse et d'aluminium sont séparés dans un évaporateur. Le chlorure d'aluminium est renvoyé au réacteur pour produire de l'aluminium, et le chlorure de manganèse réagit avec l'oxygène pour former des oxydes solides de manganèse et de chlore. L'oxyde de manganèse est réduit en métal par la méthode carbothermique dans des fours à cuve, où le coke et le calcaire sont chargés. Du manganèse est ajouté au four pour compenser ses pertes au cours du processus.

Les inconvénients de ce procédé, ainsi que d'autres méthodes métallothermiques, comprennent la contamination du produit résultant par un métal réducteur, la nécessité d'organiser la production pour la régénération de l'agent réducteur et l'augmentation des coûts d'investissement.

Électrolyse des chlorures fondus

En janvier 1973, Alcoa, l'un des leaders mondiaux de la production et de la transformation de l'aluminium, annonce le développement d'une nouvelle méthode de production d'aluminium.

Le schéma technologique de base est illustré à la fig. 5.

Le chlorure d'aluminium a une grande affinité pour l'eau et une tendance à former des oxydes et des hydroxychlorures. À cet égard, l'obtenir dans sa forme pure est une tâche difficile. La présence d'humidité provoque la corrosion et la présence de composés contenant de l'oxygène entraîne la précipitation et l'oxydation des anodes. La firme "Alcoa" a proposé la chloration de l'alumine purifiée, qui résout en partie ces problèmes. Cependant, il est nécessaire de respecter des exigences accrues de pureté du carbone lors de la chloration par rapport à l'hydrogène ou à l'humidité.

Riz. 5. Schéma technologique pour obtenir de l'aluminium à partir de chlorure.

Le chlorure d'aluminium résultant à l'état de granulés ou de vapeur est envoyé à l'électrolyse. La cellule électrolytique utilisée dans cette technologie est constituée d'une enveloppe en acier doublée de chamotte et, dans la partie inférieure, en plus de briques diatomées, c'est-à-dire un matériau réfractaire non conducteur calorifuge qui interagit faiblement avec les chlorures fondus. Au fond du bain se trouve un compartiment en graphite pour recueillir l'aluminium liquide. Le couvercle de la cellule électrolytique comporte des ouvertures pour le chargement du chlorure d'aluminium, l'aspiration périodique de l'aluminium et la sortie continue du chlore gazeux utilisé dans la production de chlorure d'aluminium. Les parois latérales et le couvercle de l'électrolyseur sont refroidis à l'eau.

L'électrolyse utilise des électrodes non consommables en graphite. Cet avantage (par rapport à l'électrolyse des masses fondues cryolite-alumine), associé à une température de procédé relativement basse (environ 700ºС), permet de sceller complètement les électrolyseurs.

La décomposition électrolytique du chlorure d'aluminium nécessite théoriquement une tension plus élevée que l'électrolyse des masses fondues cryolite-alumine, puisque la tension de décomposition du chlorure d'aluminium est beaucoup plus élevée. Ainsi, les inconvénients du procédé pourraient inclure la nécessité de fournir une grande quantité de chaleur à l'électrolyseur et des pertes de tension importantes. Cependant, les pertes ohmiques et thermiques élevées sont considérablement réduites lors de l'utilisation d'un système d'électrodes bipolaires. Dans la cellule, l'électrode supérieure est l'anode, la partie inférieure est la cathode et entre elles se trouvent des électrodes en graphite dont la partie supérieure est la cathode et la partie inférieure l'anode. Dans le même temps, les résultats des calculs montrent qu'avec une augmentation du nombre d'électrodes bipolaires et une diminution de leur section transversale, les courants de fuite augmentent, c'est-à-dire qu'une partie du courant traverse la partie imprégnée d'électrolyte du revêtement et les canaux entre la garniture et les bipôles, sans effectuer de travail électrochimique. Ces courants de fuite entraînent une réduction du courant de sortie.

Du fait de la proximité des points de fusion et d'ébullition à pression atmosphérique, le chlorure d'aluminium se sublime pratiquement sans fondre. La température de sublimation est de 180,2°C. Le point triple correspond à une température de 192,6°C et une pression absolue de 0,23 MPa. À cet égard, un mélange fondu de chlorure d'aluminium (5 ± 2 % (masse)), de chlorure de lithium (~28 % (masse)) et de chlorure de sodium (67 % (masse)) est utilisé comme électrolyte. Dans ces masses fondues, l'activité de A1C13 diminue. Ceci est largement dû au fait que dans les mélanges fondus de chlorures, A1C13 se lie aux anions complexes.

Les principaux avantages prévus et confirmés lors de l'implantation industrielle aux États-Unis de la méthode Alcoa de production d'aluminium par électrolyse de son chlorure par rapport à l'électrolyse des fontes cryolithe-alumine sont la possibilité d'utiliser des matières premières contenant de l'aluminium de faible qualité, réduisant la consommation d'énergie spécifique pendant l'électrolyse d'environ 30%, et éliminant la consommation de matériaux d'électrode contenant du carbone de haute qualité, l'utilisation de chlorures moins rares et agressifs au lieu de fluorures, augmentant la productivité du travail, réduisant les investissements en capital, réduisant les coûts, le coût de produits finis et les émissions nocives dans l'environnement.

Ainsi, la plus prometteuse des méthodes alternatives d'obtention d'aluminium est l'électrolyse du chlorure d'aluminium dans des électrolyseurs à électrodes bipolaires.

3. Propriétés et usages du bois.

De vastes zones de notre planète sont couvertes de forêts, elles occupent environ un tiers des terres. Le principal produit de la forêt est le bois. Selon le type de végétation forestière, on distingue les forêts de conifères de climat tempéré chaud, les forêts tropicales humides équatoriales, les forêts de feuillus humides tropicales et les forêts des régions sèches.

Le bois est utilisé depuis l'Antiquité pour la construction d'habitations, la fabrication d'articles ménagers, de moyens de transport et de différents produits. Au fil du temps, avec le bois, le métal, le ciment, les carreaux, le verre et les plastiques ont commencé à être utilisés dans la construction.

Il convient de noter que le bois présente également un certain nombre d'inconvénients: variabilité des propriétés dans le sens le long de l'axe du tronc et dans le sens transversal; a une hygroscopicité, ce qui entraîne une augmentation de sa masse et une diminution de sa résistance, et une fois séché, le bois diminue de taille (un retrait se produit); il craque et se déforme ; affecté par des champignons, ce qui entraîne la pourriture; le bois peut brûler. Ces défauts sont en grande partie éliminés par la transformation chimique et chimico-mécanique du bois en feuilles et en panneaux - papier, carton, panneaux de particules et de fibres, contreplaqué, etc.

Un arbre adulte a un tronc, une cime et des racines. liens de coffre système racinaire avec la cime d'un arbre. Le tronc donne l'essentiel du bois (de 50 à 90 % du volume de l'arbre entier) et revêt une importance industrielle majeure. La partie supérieure fine du tronc s'appelle le haut, la partie inférieure épaisse s'appelle la crosse. Le bois occupe la plus grande partie du volume du tronc. Le diamètre du tronc varie considérablement, d'environ 6-8 à 100 cm.La forme de la section transversale du tronc et, par conséquent, le bois est le plus souvent proche d'un cercle, mais parfois la section transversale prend la forme d'une ellipse. Le diamètre diminue avec la hauteur du tronc. Dans la partie supérieure du tronc, le bois est percé de nœuds, qui sont des restes de branches. A l'extérieur, le bois est recouvert d'écorces dont le volume relatif pour les principales essences est donné dans le tableau :

PRINCIPALES PROPRIÉTÉS DU BOIS

1. Propriétés chimiques du bois

Composition chimique du bois et de l'écorce. Le bois est principalement composé de matière organique. La composition chimique élémentaire du bois de toutes les essences est presque la même. La partie organique du bois absolument sec (séché à 103°C) contient en moyenne 49-50% de carbone, 43-44% d'oxygène, environ 6% d'hydrogène et 0,1-0,3% d'azote.

La partie inorganique peut être isolée sous forme de cendres en brûlant du bois. La quantité de cendres dans le bois est d'environ 0,2 à 1 %. La composition de la cendre comprend du calcium, du potassium, du sodium, du magnésium, en plus petites quantités du phosphore, du soufre et d'autres éléments. Ils forment des minéraux dont la plupart sont insolubles dans l'eau. Parmi les solubles, la première place est occupée par les alcalins - potasse et soude, et parmi les insolubles - sels de calcium.

Les éléments chimiques forment des composés organiques complexes. Les principaux sont la cellulose, la lignine, l'hémicellulose, qui font partie des parois cellulaires du bois. Le reste des substances est appelé extractif. Ce sont des résines, des tanins et des colorants.

2. Propriétés physiques du bois

Les propriétés physiques du bois sont celles qui sont déterminées sans violer l'intégrité de l'échantillon d'essai et sans modifier sa composition chimique, c'est-à-dire qu'elles sont détectées par inspection, pesée, mesure, séchage.

À propriétés physiques bois comprennent : l'apparence et l'odeur, la densité, l'humidité et les changements connexes - retrait, gonflement, fissuration et gauchissement.

L'apparence du bois est déterminée par sa couleur, son lustre, sa texture et sa macrostructure.

L'odeur du bois dépend des résines, des huiles essentielles, des tanins et d'autres substances qu'il contient. Les espèces de conifères - pin, épicéa - ont une odeur caractéristique de térébenthine. Le chêne a l'odeur des tanins, du backout et du bois de rose - vanille. Le genévrier a une odeur agréable, c'est pourquoi ses branches sont utilisées lors de la cuisson à la vapeur des barils. Grande importance a l'odeur du bois dans la fabrication des contenants. Lorsqu'il est fraîchement coupé, le bois a une odeur plus forte que lorsqu'il est séché.

taux d'humidité du bois. Dans un arbre en croissance, l'eau est nécessaire à sa vie et à sa croissance; dans le bois coupé, la présence d'eau n'est pas souhaitable, car elle entraîne un certain nombre de phénomènes négatifs.

L'humidité (absolue) du bois est le rapport de la masse d'eau à la masse de bois absolument sec, exprimé en pourcentage.

Rétrécissement. Le retrait est une diminution des dimensions linéaires et du volume du bois lors du séchage. Elle commence après l'élimination complète de l'humidité libre du bois et dès le début de l'élimination de l'humidité liée, c'est-à-dire lorsque sa teneur en humidité chute au-delà de la limite de saturation des parois cellulaires.

Le gonflement est une propriété du bois qui s'oppose au retrait et obéit aux mêmes lois. Le gonflement est une augmentation des dimensions linéaires et du volume du bois avec une augmentation de la teneur en eau liée.

3 Propriétés mécaniques du bois

Les propriétés mécaniques caractérisent la capacité du bois à résister à l'action des forces. Les propriétés mécaniques du bois comprennent la résistance et la déformabilité, ainsi que certaines propriétés opérationnelles et technologiques.

Résistance - la capacité du bois à résister à la destruction sous l'action de forces mécaniques; sa caractéristique est la résistance à la traction - la contrainte maximale que le bois peut supporter sans se casser. Les indicateurs de résistance sont définis lors des tests de compression, de tension, de flexion, de cisaillement et rarement de torsion du bois.

La déformabilité est une modification de la forme et de la taille du bois sous l'influence de forces extérieures.

La dureté est la propriété du bois de résister à l'introduction d'un corps d'une certaine forme.

La résistance aux chocs caractérise la capacité du bois à absorber le travail lors d'un impact sans se casser. Déterminé lors d'essais de flexion. Plus il faut de travail pour détruire l'échantillon, plus la viscosité est élevée.

La résistance à l'usure du bois est la capacité des couches superficielles à résister à l'usure, c'est-à-dire à la destruction lors du processus de frottement.

Le bois est utilisé pour obtenir divers matériaux en bois. Ces matériaux comprennent : les matériaux ronds, sciés, rabotés, déroulés, le bois fendu, le bois déchiqueté, les matériaux en bois composite. Tous ces matériaux sont largement utilisés dans l'industrie du meuble, la construction navale, la construction automobile, l'ingénierie mécanique, l'électrotechnique, la construction, dans la fabrication de maisons en bois standard, dans la production d'automobiles, de plastiques, de linoléum, d'explosifs industriels, pour l'emballage alimentaire et industriel. produits, pour la fabrication de plaques de fibrilles, etc., ainsi que dans d'autres industries comme matériau de structure, d'isolation et de finition.

4. Fonte. Marquage, propriétés et application de la fonte grise.

Les fontes comprennent les alliages de fer avec du carbone contenant plus de 2,14 % de C (Fig. 6).

Les fontes avec une teneur en carbone allant jusqu'à 4,0 - 4,5% trouvent une application pratique. À Suite carbone, les propriétés mécaniques se dégradent sensiblement.

Les fontes industrielles ne sont pas des alliages binaires, mais contiennent, en plus de Fe et C, les mêmes impuretés que les aciers au carbone Mn, Si, S, P, etc. Cependant, ces impuretés sont plus importantes dans les fontes et leur influence est différente que dans aciers. Si tout le carbone présent dans la fonte est à l'état chimiquement lié, sous forme de carbure de fer (F3C - cémentite), alors cette fonte est appelée fonte blanche. Les fontes, dans lesquelles la totalité ou la majeure partie du carbone est à l'état libre sous forme d'inclusions de graphite d'une forme ou d'une autre, sont dites graphitées.

Riz. 6. Schéma structurel de l'état du système fer-cémentite

Selon la forme des inclusions de graphite, la fonte graphitée est une fonte grise, à haute résistance, malléable et à graphite vermiculaire.

Les fontes grises sont obtenues à une vitesse de refroidissement des pièces moulées inférieure à celle des fontes blanches. Ils contiennent 1 à 3 % de Si - qui a un fort effet graphitant.

La fonte grise est bien traitée par l'outil de coupe. Des bancs de machine, des blocs-cylindres, des cadres de fondation, des douilles de cylindre, des pistons, etc. en sont fabriqués.

Propriétés mécaniques de la fonte grise

Le graphite dans la fonte grise est observé sous forme d'inclusions sombres sur un fond clair d'une section non attaquée. La section non attaquée est utilisée pour évaluer la forme et la dispersion du graphite, dont dépendent en grande partie les propriétés mécaniques de la fonte grise.

Les fontes grises sont subdivisées selon la microstructure de la base métallique, en fonction de l'état complet de la graphitisation. Le degré ou l'intégralité de la graphitisation est estimé par la quantité de carbone librement libéré (non lié) (Fig. 7).

L'exhaustivité de la graphitisation dépend de nombreux facteurs, dont les principaux sont la vitesse de refroidissement et la composition de l'alliage. Avec un refroidissement rapide, la formation de la cémentite est cinétiquement plus favorable que celle du graphite. Plus le refroidissement est lent, plus le degré de graphitisation est important. Le silicium agit dans le même sens que le ralentissement du refroidissement, c'est-à-dire qu'il favorise la graphitisation, et le manganèse, élément carburant, freine la graphitation.

Riz. 7. Classification des fontes selon la structure de la base métallique et sous la forme

inclusions de graphite

Si la graphitisation à l'état solide est complètement passée, la fonte contient deux composants structurels - le graphite et la ferrite. Si la décomposition eutectoïde de l'austénite s'est déroulée selon le système métastable

eutectoïde (perlite), alors la structure de la fonte est constituée de graphite et de perlite. Un tel alliage est appelé fonte grise à base de perlite. Une variante intermédiaire est également possible, lorsque l'austénite se décompose en partie par réaction eutectoïde en ferrite et graphite, et en partie avec formation de perlite. Dans ce cas, la fonte contient trois éléments structurels - le graphite, la ferrite et la perlite. Un tel alliage est appelé fonte grise à base de ferrite-perlitique.

La ferrite et la perlite dans la base métallique de la fonte ont les mêmes caractéristiques microstructurales que dans les aciers. Les fontes grises contiennent une quantité accrue de phosphore, ce qui augmente la fluidité et donne un triple eutectique.

Dans le fond métallique de la fonte grise, l'eutectique phosphuré se présente sous forme de zones claires et bien délimitées.

Tous les matériaux de structure peuvent être conditionnellement divisés en homogène et composite, métallique et non métallique(Figure 6.1).

Les métaux- les éléments chimiques qui forment des substances simples à l'état libre avec lien métallique entre les atomes.

Alliages- les solides formés par la fusion de deux ou plusieurs composants. L'alliage se forme à la fois à la suite de processus purement physiques (dissolution, mélange) et à la suite d'une interaction chimique entre les éléments. La diversité de la composition des types de liaisons interatomiques et des structures cristallines des alliages entraîne une différence significative dans leurs propriétés physicochimiques, électriques, magnétiques, mécaniques, optiques et autres. Les alliages à base de fer sont appelés noir, à base d'autres métaux coloré.

Matériaux non métalliques– matériaux inorganiques et organiques, matériaux composites non métalliques, adhésifs, mastics, peintures, graphite, verre, céramique, etc.

Polymères- les substances dont les macromolécules sont constituées de nombreuses unités élémentaires (monomères) de même structure.

Matériaux composites- des systèmes à hétérophase (constitués de phases aux propriétés physiques et chimiques différentes) obtenus à partir de deux composants ou plus tout en conservant l'individualité de chaque composant individuel.

Où:

le matériau est homogène à l'échelle macro et hétérogène à l'échelle micro (les composants diffèrent par leurs propriétés, il existe une interface claire entre eux) ;

l'un des composants, qui a une continuité dans tout le volume, est une matrice ; un composant discontinu, réparti dans le volume de la composition, est considéré comme renforçant ou renforçant.

En instrumentation, divers matériaux non métalliques, tels que les plastiques, le caoutchouc, le verre, la céramique, les peintures et les vernis, sont largement utilisés. matériaux adhésifs, et avec le développement de la chimie et des nouvelles technologies, la part des matériaux non métalliques dans l'instrumentation ne cesse d'augmenter.

Le choix des plastiques est déterminé par le but de la pièce et les caractéristiques de sa production (pressage, coulée et autres méthodes), et les caractéristiques structurelles, les propriétés mécaniques et physiques des plastiques affectent de manière significative la conception de la pièce et la méthode de sa fabrication.

L'utilisation de matériaux en poudre est déterminée par la nécessité de fabriquer des produits avec des propriétés et une structure spéciales qui ne peuvent pas être obtenues par d'autres méthodes de production, ou des produits avec la composition, la structure et les propriétés habituelles, mais avec des indicateurs de production économiques beaucoup plus favorables.

Les propriétés des matériaux de structure sont divisées en:

mécanique;

technologique;

opérationnel.

Les propriétés mécaniques comprennent :

force;

élasticité;

Plastique;

dureté;

la résistance aux chocs.

Ces propriétés déterminent la résistance et la durabilité de la structure.

Force est la capacité d'un matériau à résister à la déformation et à la destruction.

déformation est le changement de taille et de forme du corps sous l'influence de forces extérieures. Les déformations sont divisées en élastique et plastique. Les déformations élastiques disparaissent après la fin de l'action des forces, alors que les déformations plastiques subsistent.

Plastique- la capacité du matériau à se déformer. La plasticité assure la résistance structurelle des pièces sous charge et neutralise l'effet des concentrateurs de contraintes - trous, découpes, etc. Lors de la déformation plastique d'un métal, un certain nombre de propriétés changent simultanément avec un changement de forme, en particulier, lors d'une déformation à froid, la résistance augmente, mais la ductilité diminue.

La plupart des caractéristiques mécaniques des matériaux sont déterminées par des essais de traction sur éprouvettes (GOST 1497-84).

Lors de l'étirement d'échantillons avec une section transversale S 0 et une longueur de travail (calculée) l environ, un diagramme de tension est tracé dans les coordonnées: charge P - allongement ∆l de l'échantillon (Figure 6.2).

Figure 6.2 - Schéma d'étirement

Tableau d'étirement caractérise le comportement du métal en déformation depuis le début du chargement jusqu'à la destruction de l'échantillon. Il y a trois sections sur le diagramme :

déformation élastique - jusqu'au contrôle de la charge Р ;

déformation plastique uniforme de Р upr à Р max ;

et déformation plastique concentrée de P max à P k .

Si l'échantillon est chargé dans le contrôle P, puis complètement déchargé et sa longueur mesurée, aucune conséquence du chargement ne sera détectée.

Loi de Hooke pour la section linéaire du diagramme : σ = E ε, où E est appelé module d'élasticité ou module d'Young. E a pour dimension kg/cm 2 et est l'une des constantes physiques du matériau. Le module d'élasticité en traction est numériquement égal à la tangente de la pente du diagramme des contraintes à l'axe des abscisses.

Entre la déformation transversale relative et la déformation longitudinale relative en traction et compression simples, dans les limites d'applicabilité de la loi de Hooke, il existe une relation constante dont la valeur absolue est appelée Coefficient de Poissonμ \u003d ε 1 / ε est une valeur sans dimension et pour tous les matériaux isotropes se situe entre 0 et 0,5 (0 pour le liège, 0,5 pour le caoutchouc, 0,3 pour l'acier).

Lorsque l'échantillon est chargé plus que le contrôle R apparaît déformation résiduelle (plastique). La déformation plastique se produit avec une charge croissante, car le métal est renforcé au cours du processus de déformation. Le durcissement d'un métal lors de sa déformation est appelé endurci.

Avec un chargement supplémentaire, la déformation plastique, et avec elle l'écrouissage, augmente de plus en plus, étant uniformément répartie sur tout le volume de l'échantillon. Après avoir atteint la valeur maximale de la charge P max, à l'endroit le plus faible, un amincissement local de l'échantillon apparaît - un col, dans lequel se produit principalement une déformation plastique supplémentaire. En relation avec le développement du col, malgré le durcissement continu du métal, la charge diminue de P max à P k, et à la charge P k, l'échantillon est détruit. Dans ce cas, la déformation élastique de l'échantillon disparaît, tandis que le plastique ∆lres subsiste.

Lorsqu'il est déformé corps solide des forces internes surgissent en lui. L'amplitude des forces par unité de surface de la section transversale de l'échantillon est appelée contrainte. L'unité de contrainte est le MPa.

En utilisant les caractéristiques indiquées et connaissant la surface de la section transversale de l'échantillon S 0 , les principales caractéristiques de la résistance du matériau sont déterminées :

σ pc \u003d R pc / S 0 - limite de proportionnalité; σ y \u003d R y /S 0 - limite élastique; σ t \u003d P t /S 0 - limite d'élasticité; σ in = P max /S 0 - résistance à la traction ou résistance à la traction ; σ k \u003d P k / S 0 - contrainte au moment de la rupture.

Étant donné que le diagramme de tension des métaux caractérise non seulement les propriétés des métaux, mais également les dimensions de l'échantillon, il est d'usage de le reconstruire en coordonnées relatives σ - ε, un tel diagramme est appelé diagramme de contraintes.

Plastique caractérisé par un allongement relatif et une contraction relative :

où l 0 ,S 0 - la longueur initiale et l'aire de la section transversale de l'échantillon;l k ,S k - la longueur et l'aire finales à la rupture.

Les valeurs de contrainte admissibles dans les calculs sont choisies moins de 1,5 à 2,5 fois.

Dureté est la résistance du matériau à la pénétration dans sa surface par un corps standard (indenteur). La dureté est jugée soit par la profondeur de pénétration du pénétrateur, soit par la taille de l'empreinte de l'indentation. Dans tous les cas, une déformation plastique du matériau se produit. Plus la résistance du matériau à la déformation plastique est grande, plus la dureté est élevée.

Les méthodes les plus largement utilisées pour déterminer la dureté Brinell, Rockwell, Vickers et la microdureté. Les schémas de test sont illustrés à la figure 3.4.

Figure 6.3 - Schéma de détermination de la dureté d'un matériau selon Brinell (a), selon Rockwell (b), selon Vickers (c).

La dureté Brinell est déterminée sur un testeur de dureté Brinell. Une bille en acier trempé de diamètre D = 2,5 est utilisée comme pénétrateur ; 5 ; 10 mm, selon l'épaisseur du produit.

L'impression résultante est mesurée dans deux directions à l'aide d'une loupe Brinell. La dureté est définie comme le rapport de la charge appliquée P à la surface sphérique de l'empreinte.

Méthode Rockwell est basé sur l'indentation dans la surface sous une certaine charge d'une pointe en forme de boule ou de cône en diamant. Pour les matériaux tendres (jusqu'à HB 230), une bille en acier de 1/16" (1,6 mm) de diamètre est utilisée, pour les matériaux plus durs, un cône en diamant est utilisé.

Le chargement s'effectue en deux temps. Tout d'abord, une précharge P 0 (100 N) est appliquée pour amener la pointe en contact étroit avec l'échantillon. Ensuite, la charge principale P 1 est appliquée, pendant un certain temps la charge de travail totale P. Après avoir retiré la charge principale, la valeur de dureté est déterminée à partir de la profondeur de l'indentation résiduelle de la pointe h sous la charge P.

Dureté Vickers déterminé par la taille de l'empreinte du pénétrateur : pyramide tétraédrique en losange avec un angle au sommet de 136 o .

La dureté est calculée comme le rapport de la charge appliquée P à la surface de l'empreinte.

La charge Р est de 50…1000 n. La diagonale d'empreinte d est mesurée à l'aide d'un microscope monté sur l'instrument.

L'avantage de cette méthode est qu'il est possible de mesurer la dureté de tous les matériaux, produits minces, couches de surface. La méthode offre une grande précision avec une grande sensibilité.

Méthode de microdureté- utilisé pour déterminer la dureté des composants structurels individuels et des phases de l'alliage, couches superficielles très fines (centièmes de millimètre). La méthode est similaire à la méthode Vickers. Le pénétrateur est une pyramide plus petite, les charges d'indentation P sont de 5…500 N.

la résistance aux chocs caractérise la fiabilité du matériau, sa capacité à résister à la rupture fragile. Essais pour la résistance aux chocs réalisés sur des chevalements pendulaires. Les éprouvettes ont des coupes d'une certaine forme et taille. L'échantillon est monté sur les supports de coprah avec une encoche dans le sens opposé à l'impact du couteau pendulaire, qui est relevé à une certaine hauteur. Il est déterminé selon GOST comme le travail spécifique de destruction d'un échantillon prismatique avec un concentrateur (encoche) au milieu avec un coup d'un testeur d'impact à pendule : KS = K / S, où K est le travail de destruction ; S est la surface de la section transversale de l'échantillon au concentrateur. Il est mesuré en MJ / m 2. Désigner KCU, KCV, KCT, U, V, T - type de concentrateur (en forme de U, V; T - fissure de fatigue).

Propriétés technologiques des matériaux de structure.

Les propriétés technologiques caractérisent la capacité d'un matériau à être soumis à diverses méthodes de travail à froid et à chaud.

Les propriétés technologiques des métaux et alliages comprennent :

propriétés de moulage;

déformabilité;

soudabilité;

maniabilité avec un outil de coupe.

Ces propriétés permettent d'effectuer des traitements de changement de forme et d'obtenir des ébauches et des pièces de machine.

Propriétés de coulée caractérisent la capacité du matériau à en tirer des moulages de haute qualité.

Les propriétés de coulée sont déterminées par la capacité du métal fondu ou de l'alliage à remplir le moule (fluidité), le degré d'hétérogénéité chimique sur la section transversale de la coulée résultante (ségrégation), ainsi que la quantité de retrait - une réduction de la dimensions pendant la cristallisation et le refroidissement ultérieur.

Formabilité d'un matériau - c'est la capacité d'un matériau à changer de dimensions et de forme sous l'influence de charges externes sans s'effondrer (traitement sans enlèvement de copeaux). Il est contrôlé grâce à des tests technologiques réalisés dans des conditions au plus près de la production. Le matériau en feuille est testé pour la flexion et l'étirage d'un trou sphérique. Le fil est testé pour la flexion, la torsion, l'enroulement. Les tuyaux sont testés pour l'expansion, l'aplatissement à une certaine hauteur et la flexion. Le critère d'adéquation du matériau est l'absence de défauts après essai.

Soudabilité- c'est la capacité du matériau à former des joints permanents de la qualité requise lors du soudage. La propriété est évaluée par la qualité de la soudure.

Usinabilité- caractérise l'aptitude du matériau à être usiné par un outil coupant. Evalué par la durée de vie de l'outil et la qualité de la surface usinée.

Les propriétés technologiques déterminent souvent le choix du matériau pour une structure. Les matériaux développés ne peuvent être introduits dans la production que si leurs propriétés technologiques répondent aux exigences nécessaires.

La production automatisée moderne impose des exigences particulières aux propriétés technologiques du matériau : soudage à grande vitesse, refroidissement accéléré des pièces moulées, coupe à modes élevés, etc., tout en offrant condition nécessaire – Haute qualité produits reçus.

Propriétés opérationnelles caractérisent la capacité du matériau à travailler dans des conditions spécifiques :

résistance à l'usure - capacité d'un matériau à résister à la destruction de surface sous l'action d'un frottement externe;

résistance à la corrosion - la capacité d'un matériau à résister à l'action de milieux acides et alcalins agressifs;

résistance à la chaleur - capacité d'un matériau à résister à l'oxydation dans un environnement gazeux à haute température;

la résistance à la chaleur est la capacité d'un matériau à conserver sa résistance et sa dureté à des températures élevées ;

résistance au froid - capacité d'un matériau à conserver ses propriétés plastiques à basse température;

antifriction - la capacité d'un matériau à se fondre dans un autre matériau.

Ces propriétés sont déterminées par des tests particuliers en fonction des conditions de fonctionnement des produits. Lors du choix d'un matériau pour la création d'une structure, il est nécessaire de prendre en compte les propriétés structurelles, technologiques et opérationnelles.

Matériaux de construction

matériaux à partir desquels sont fabriquées des parties de structures (machines et structures) qui perçoivent une charge de puissance. Les paramètres définissant le CM sont ses propriétés mécaniques, qui le distinguent des autres matériaux techniques (optique, isolant, lubrifiant, peinture, décoratif, abrasif, etc.). Les principaux critères de qualité des matériaux mécaniques comprennent les paramètres de résistance aux charges extérieures : résistance, viscosité, fiabilité, ressource, etc. Pendant une longue période de son développement, la société humaine a utilisé pour ses besoins (outils de travail et de chasse, ustensiles , bijoux, etc.) une gamme limitée de matériaux : bois, pierre, fibres végétales et animales, terre cuite, verre, bronze, fer. Révolution industrielle du XVIIIe siècle. et la poursuite du développement de la technologie, en particulier la création de machines à vapeur et l'apparition à la fin du XIXe siècle. moteurs à combustion interne, machines électriques et automobiles, ont compliqué et différencié les exigences relatives aux matériaux de leurs pièces, qui ont commencé à fonctionner sous des charges alternées complexes, des températures élevées, etc. Alliages métalliques à base de fer (fontes et aciers (Voir Acier)) , cuivre (bronze (Voir Bronze) et laiton (Voir Laiton)) , plomb et étain.

Dans la conception des avions, lorsque la résistance spécifique élevée est devenue la principale exigence des matériaux composites, les plastiques à base de bois (contreplaqué), les aciers faiblement alliés et les alliages d'aluminium et de magnésium sont devenus largement utilisés. La poursuite du développement de la technologie aéronautique a nécessité la création de nouveaux alliages résistants à la chaleur (Voir Alliages résistants à la chaleur) à base de nickel et de cobalt, d'aciers, de titane, d'aluminium, d'alliages de magnésium adaptés à long travailà des températures élevées. L'amélioration de la technologie à chaque étape du développement a imposé de nouvelles exigences toujours plus complexes aux matériaux compressifs (stabilité en température, résistance à l'usure, conductivité électrique, etc.). Par exemple, la construction navale a besoin d'aciers et d'alliages avec une bonne soudabilité et une résistance élevée à la corrosion, tandis que le génie chimique a besoin d'une résistance élevée et à long terme dans des environnements agressifs. Le développement de l'ingénierie de l'énergie nucléaire est associé à l'utilisation de matériaux composites, qui non seulement ont une résistance suffisante et une résistance élevée à la corrosion dans divers liquides de refroidissement, mais répondent également à une nouvelle exigence - petite la Coupe transversale capture de neutrons.

Les matériaux composites sont subdivisés : selon la nature des matériaux - en matériaux métalliques, non métalliques et composites , combiner les propriétés positives de ces matériaux et d'autres; selon la conception technologique - déformés (produits laminés, forgés, emboutis, profilés extrudés, etc.), coulés, frittés, moulés, collés, soudés (par fusion, explosion, liaison par diffusion, etc.); selon les conditions de travail - pour ceux qui travaillent à basse température, résistant à la chaleur, à la corrosion, au tartre, à l'usure, au carburant, à l'huile, etc. ; selon des critères de résistance - pour les matériaux de faible et moyenne résistance avec une grande marge de plasticité, les matériaux à haute résistance avec une marge de plasticité modérée.

Les classes séparées de K. m., à leur tour, sont divisées en de nombreux groupes. Par exemple, les alliages métalliques sont distingués : selon les systèmes d'alliage - aluminium, magnésium, titane, cuivre, nickel, molybdène, niobium, béryllium, tungstène, à base de fer, etc. ; par types de durcissement - durci, amélioré, vieillissant, cimenté, cyanuré, nitruré, etc. ; par composition structurale - aciers austénitiques et ferritiques, laiton, etc.

Les matériaux non métalliques sont subdivisés selon leur composition isomérique, leur conception technologique (pressé, tissé, enroulé, moulé, etc.), selon les types de charges (éléments de renforcement) et selon la nature de leur placement et de leur orientation. Certains matériaux, comme l'acier et les alliages d'aluminium, sont utilisés comme matériaux de construction et, à l'inverse, dans certains cas comme matériaux de construction, comme le béton armé. , utilisé dans les ouvrages d'art.

Les paramètres techniques et économiques des matériaux composites comprennent : les paramètres technologiques - aptitude au façonnage des métaux par pression, coupe, propriétés de coulée (fluidité, tendance à former des fissures à chaud pendant la coulée), soudabilité, soudabilité, vitesse de durcissement et fluidité des matériaux polymères à des conditions normales et élevées températures, etc. ; indicateurs d'efficacité économique (coût, intensité de main-d'œuvre, rareté, taux d'utilisation des métaux, etc.).

La majorité des nuances d'acier produites par l'industrie appartiennent au métal K. m. L'exception concerne les aciers qui ne sont pas utilisés dans les éléments structuraux porteurs: aciers à outils (Voir Acier à outils) , pour les éléments chauffants, pour le fil d'apport (lors du soudage) et quelques autres avec des propriétés physiques et technologiques particulières. Les aciers constituent l'essentiel des matériaux mécaniques utilisés par la technologie. Ils ont une large gamme de force - de 200 à 3000 MN/m2(20-300 kgf/mm 2), la plasticité des aciers atteint 80%, viscosité - 3 MJ/m2. Les aciers de construction (y compris inoxydables) sont fondus dans des convertisseurs, à foyer ouvert et fours électriques. Pour un affinage supplémentaire, une purge à l'argon et un traitement de laitier synthétique en poche sont utilisés. Devenir nomination responsable, qui nécessitent une grande fiabilité, sont produits par refusion à l'arc sous vide, par induction sous vide et sous laitier électroconducteur, dégazage et, dans des cas particuliers, par amélioration de la cristallisation (dans des installations de coulée continue ou semi-continue) par soutirage de la masse fondue.

Les fontes sont largement utilisées en construction mécanique pour la fabrication de carcasses, de vilebrequins, d'engrenages, de cylindres de moteurs à combustion interne, de pièces fonctionnant à des températures allant jusqu'à 1200°C dans des environnements oxydants, etc. La résistance des fontes, en fonction de l'alliage, varie à partir de 110 MN/m2(chugal) jusqu'à 1350 MN/m2(fonte alliée au magnésium).

Les alliages de nickel et les alliages de cobalt conservent leur résistance jusqu'à 1000-1100 °C. Ils sont fondus dans des fours à induction sous vide et à arc sous vide, ainsi que dans des fours à plasma et à faisceau d'électrons. Ils sont utilisés dans les moteurs d'avions et de fusées, les turbines à vapeur, les appareils fonctionnant dans des environnements agressifs, etc. La résistance des alliages d'aluminium (Voir Alliages d'aluminium) est : déformable jusqu'à 750 MN/m2, fonderies jusqu'à 550 MN/m2, en termes de rigidité spécifique, ils sont nettement supérieurs à l'acier. Ils sont utilisés pour la fabrication de coques d'avions, d'hélicoptères, de fusées, de navires à des fins diverses, etc. Les alliages de magnésium se distinguent par un volume spécifique élevé (4 fois supérieur à celui de l'acier), ont une résistance allant jusqu'à 400 MN/m2 et plus haut; ils sont principalement utilisés sous forme de fonderie dans les structures aéronautiques, dans l'industrie automobile, dans les industries du textile et de l'imprimerie, etc. Alliages de titane commencent à concurrencer avec succès dans un certain nombre de branches de la technologie les aciers et les alliages d'aluminium, les surpassant en termes de résistance spécifique, de résistance à la corrosion et de rigidité. Les alliages ont une résistance jusqu'à 1600 MN/m2 et plus. Ils sont utilisés pour la fabrication de compresseurs pour moteurs d'avions, d'appareils pour les industries chimiques et pétrolières, d'instruments médicaux, etc.

Les matériaux non métalliques comprennent les plastiques, les matériaux polymères thermoplastiques (voir polymères), la céramique (voir céramique), les réfractaires, le verre (voir verre), le caoutchouc (voir caoutchouc) et le bois (voir bois). Plastiques à base de résines thermoplastiques thermodurcissables, époxy, phénoliques, organosiliciées et fluoroplastiques (Voir Fluoroplastiques) , renforcés (renforcés) avec du verre, du quartz, de l'amiante et d'autres fibres, tissus et rubans, ils sont utilisés dans la construction d'avions, de fusées, dans l'énergie, l'ingénierie des transports, etc. Matériaux polymères thermoplastiques - Polystyrène, polyméthacrylate de méthyle, polyamides, fluoroplastiques, ainsi que des détails sur les équipements électriques et radio, les unités de friction fonctionnant dans divers milieux, y compris chimiquement actifs : carburants, huiles, etc.

Les verres (silicate, quartz, organique), les triplex à base d'eux sont utilisés pour le vitrage des navires, des avions, des fusées; les matériaux céramiques sont utilisés pour fabriquer des pièces fonctionnant à haute température. Les caoutchoucs à base de divers caoutchoucs, renforcés de tissus cordés, sont utilisés pour la fabrication de pneumatiques ou de roues monolithiques d'avions et d'automobiles, ainsi que de divers joints mobiles et fixes.

Le développement de la technologie impose de nouvelles exigences plus élevées aux matériaux composites existants et stimule la création de nouveaux matériaux. Afin de réduire la masse des structures d'aéronefs, on utilise par exemple des structures multicouches alliant légèreté, rigidité et résistance. Le renforcement externe des volumes fermés métalliques (billes, cylindres, cylindres) avec de la fibre de verre (voir fibre de verre) peut réduire considérablement leur poids par rapport aux structures métalliques. Pour de nombreux domaines de la technologie, des matériaux composites sont nécessaires qui combinent une résistance structurelle avec des propriétés électriques, de protection thermique, optiques et autres élevées.

Étant donné que presque tous les éléments du tableau périodique ont trouvé leur place dans la composition de CM, et l'efficacité des méthodes de durcissement qui sont déjà devenues classiques pour les alliages métalliques en combinant un alliage spécialement sélectionné, une fusion de haute qualité et un traitement thermique approprié est réduite , les perspectives d'amélioration des propriétés du CM liées à la synthèse de matériaux à partir d'éléments aux propriétés limitantes, par exemple extrêmement résistants, extrêmement réfractaires, thermiquement stables, etc. Ces matériaux constituent une nouvelle classe de matériaux composites, ils utilisent des éléments à haute résistance (fibres, filaments, fils, trichites, granulés, composés dispersés très durs et réfractaires qui constituent le renfort ou le remplissage), reliés par une matrice de plastique et matériau résistant(alliages métalliques ou matériaux non métalliques à prédominance polymère). En termes de résistance spécifique et de module d'élasticité spécifique, les matériaux composites peuvent être de 50 à 100 % supérieurs à l'acier ou aux alliages d'aluminium et permettent une économie de 20 à 50 % de la masse des structures.

Outre le développement des matériaux composites composites à structure orientée (orthotrope), une voie prometteuse pour améliorer la qualité des matériaux composites est de réguler la structure des matériaux composites traditionnels.Par exemple, la cristallisation directionnelle des aciers et alliages produit pièces moulées, par exemple des aubes de turbine à gaz, constituées de cristaux orientés par rapport aux contraintes principales de manière à ce que les joints de grains (points faibles des alliages à haute température) soient déchargés. La cristallisation directionnelle permet d'augmenter plusieurs fois la plasticité et la durabilité. Une méthode encore plus progressive pour créer des matériaux moléculaires orthotropes est la réalisation de pièces monocristallines avec une orientation cristallographique définie par rapport aux contraintes appliquées. Les méthodes d'orientation sont utilisées très efficacement dans les matériaux non métalliques.Par exemple, l'orientation des macromolécules linéaires de matériaux polymères (l'orientation des verres en poly(méthacrylate de méthyle)) augmente considérablement leur résistance, leur ténacité et leur durabilité.

Dans la synthèse de matériaux composites et la création d'alliages et de matériaux à structure orientée, les progrès de la science des matériaux sont utilisés.

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A.T. Tumanov, N.S. Sklyarov.