Agenția Federală pentru Educație
GOU VPO Universitatea Economică de Stat din Ural
Departamentul de Discipline Inginerie
„Proprietăți materiale de construcție»
Executor testamentar:
Student anul I al facultăţii de corespondenţă
specialitatea „EPP”
Dobrynkina L.V.
Ekaterinburg 2009
Materiale structurale
Clasificarea proprietăților materialelor structurale
Procese de producție a oțelului
Materiale sticla-cristaline (situlls)
Fontă. Clasificare fontă
Grafitizare fontă
Clasificare fontă gri
Marcaj din fontă
Lista bibliografică
MATERIALE DE CONSTRUCȚIE
Materialele structurale sunt materiale din care sunt realizate părți ale structurilor (mașini și structuri), care percep sarcina de putere. Parametrii definitori ai materialelor de construcție sunt proprietățile mecanice care le deosebesc de altele materiale tehnice(optic, izolant, lubrifiant, vopsea și lac, decorativ, abraziv etc.). Principalele criterii de calitate pentru materialele structurale includ parametrii de rezistență la sarcini externe: rezistență, tenacitate, fiabilitate, durată de viață etc.
Materialele structurale se împart: după natura materialelor - în materiale metalice, nemetalice și compozite, combinând proprietățile pozitive ale acestora și ale altor materiale; prin proiectare tehnologică - pentru deformate (laminate, forjate, ștanțate, profile extrudate etc.), turnate, sinterizate, formate, lipite, sudate (prin topire, explozie, lipire prin difuzie etc.); în funcție de condițiile de lucru - pentru cei care lucrează la temperaturi scăzute, rezistente la căldură, la coroziune, la calcar, la uzură, la combustibil, la ulei etc.; dupa criterii de rezistenta – pentru materiale de rezistenta mica si medie cu o aprovizionare mare plasticitate, de mare rezistență, cu o rezervă moderată de plasticitate.
Dezvoltarea tehnologiei face cerințe noi, mai mari pentru materialele structurale existente, stimulează crearea de noi materiale. Pentru a reduce masa structurilor aeronave utilizate, de exemplu, structuri multistrat care combină ușurința, rigiditatea și rezistența. Armarea exterioară a volumelor închise metalice (bile, cilindri, cilindri) cu fibră de sticlă poate reduce semnificativ greutatea acestora în comparație cu structurile metalice. Multe domenii ale tehnologiei necesită materiale de construcție care combină rezistența structurală cu proprietăți electrice, de protecție termică, optice și alte proprietăți ridicate.
Aproape toate elementele tabelului periodic și-au găsit aplicația în compoziția materialelor structurale, iar eficiența metodelor de întărire, care au devenit deja clasice pentru aliajele metalice prin combinarea aliajelor special selectate, topirea de înaltă calitate și tratamentul termic adecvat, este redusă. , perspectivele de îmbunătățire a proprietăților materialelor structurale sunt asociate cu sinteza materialelor din elemente care au valori limită ale proprietăților.
Clasificarea proprietăților materialelor structurale
1. Proprietăți mecanice caracterizată prin capacitatea materialului de a rezista la deformare și prăbușire sub influența factorilor externi.
· Putere (capacitatea materialului de a rezista la distrugere și de a se deforma plastic sub influența forțelor externe);
· Duritate (capacitatea materialelor de a rezista la deformarea stratului de suprafață sub impact local, de contact și de forță);
· Elasticitate (capacitatea materialului de a-și restabili forma și dimensiunea, sub influența forțelor externe fără distrugere);
· Viscozitate (capacitatea materialului de a absorbi energie mecanică și, în același timp, de a experimenta o deformare plastică semnificativă înainte de defectare);
· Fragilitate (capacitatea unui material de a se prăbuși sub influența forțelor externe, imediat după deformarea elastică).
2. Proprietăți fizice caracterizează suprafața unui material în câmpuri termice, gravitaționale, electromagnetice și radioactive.
· Ușoară (capacitatea materialului de a reflecta razele de lumină cu o anumită lungime de undă a luminii);
· Densitate (masa pe unitatea de volum a unei substanțe);
· Temperatură de topire;
· Conductivitate electrică (capacitatea materialului de a conduce bine și fără pierderi electricitate);
· Conductivitate termică (capacitatea materialului de a transporta Energie termică dintr-o zonă mai fierbinte la una mai puțin încălzită);
· Capacitate termica (capacitatea materialului de a absorbi o anumită cantitate de căldură);
· Magnetic (capacitatea materialului de a fi bine magnetizat);
· Coeficientul de dilatare volumetric și liniar.
3. Proprietăți tehnologice caracterizat prin capacitatea materialului de a suferi diferite tipuri de prelucrare la cald și la rece.
· Proprietăți de turnătorie;
· Ductilitate (important pentru tratamentul sub presiune);
· Sudabilitate (acesta este un indicator al cât de mult poate arăta materialul îmbinările sudate);
· Tăiere;
· Întărire;
· Întărire.
4. Proprietăți operaționale, caracterizează capacitatea materialelor de a asigura funcționarea fiabilă și durabilă a produselor în condiții și funcționare specifice, se bazează pe proprietăți mecanice, fizice și chimice.
5. Chimic proprietăți caracterizează capacitatea unui material de a intra în interacțiune chimică cu alte substanțe.
· Solubilitate (capacitatea unui material de a forma sisteme omogene cu una sau mai multe substanțe, numite soluții);
· Rezistență la căldură (capacitatea unui material de a rezista la distrugerea chimică a suprafeței de către aer sau altă atmosferă oxidantă atunci când temperaturi mari Oh);
· Rezistență la coroziune (capacitatea materialelor metalice de a rezista distrugerii ca urmare a acțiunii chimice sau electrochimice pe suprafața lor a unui mediu extern agresiv (o proprietate similară pentru materialele nemetalice - rezistență chimică ));
· Oxidare (capacitatea materialelor de a dona electroni, adică de a se oxida în timpul interacțiunii chimice cu mediul sau cu alte materii).
OŢEL
Oțel (poloneză. stal , de la el. Stahl ) - un aliaj de fier forjat (maleabil) cu carbon (și alte elemente), al cărui conținut de carbon nu depășește 2,14%, dar nu mai puțin de 0,02%. Carbonul conferă rezistență și duritate aliajelor de fier, reducând ductilitatea și duritatea.
În sursele scrise antice rusești, oțelul era numit cu termeni speciali: „Otsel”, „Harolug” și „Uklad”.
Oțelul este cel mai important material structural pentru inginerie mecanică, transport, construcții și alte sectoare ale economiei naționale.
Oțelul este împărțit în structural și instrumental.
După compoziția chimică, oțelurile sunt împărțite în carbon și aliate; inclusiv în ceea ce privește conținutul de carbon - pentru emisii scăzute de carbon, mediu și ridicat de carbon; Oțelurile aliate prin conținutul de elemente de aliere sunt împărțite în slab aliat, mediu aliat și înalt aliat.
Oțelurile, în funcție de metoda de producție, conțin o cantitate diferită de incluziuni nemetalice. Conținutul de impurități formează baza clasificării calității oțelurilor: calitate obișnuită, calitate înaltă, calitate superioară și calitate extra înaltă.
Din punct de vedere al structurii, oțelul se distinge în austenitic, feritic, martensitic, bainitic sau perlitic. Dacă structura este dominată de două sau mai multe faze, atunci oțelul este împărțit în două faze și mai multe faze.
Producția de oțel în convertoare de oxigen
Procesul de transformare a oxigenului este unul dintre tipurile de conversie a fierului lichid în oțel fără consum de combustibil prin suflarea fierului în convertor cu oxigen pur comercial furnizat printr-o lance, care este introdus în metal de sus. Cantitatea de aer necesară pentru prelucrarea a 1 tonă de fontă este de 350 de metri cubi.
Pentru prima dată, convertorul de oxigen procesează scara industriala a fost realizat în Austria în 1952 - 1953. la fabricile din orașele Linz și Donavice (în străinătate acest proces a fost numit LD prin primele litere ale orașelor, la noi - convertor de oxigen).
În prezent sunt în funcțiune convertoare cu o capacitate de 20 până la 450 de tone, durata de topire în care este de 30-50 de minute.
Convertor de oxigen(Fig. 1) este un vas 1 în formă de pară din tablă de oțel, căptușită în interior cu cărămidă de bază 2. Poziția de lucru a convertorului este verticală. Oxigenul este introdus în el sub o presiune de 0,8 ... 1 MPa folosind o lance răcită cu apă 3, introdus în convertor prin gât 4 și situat deasupra nivelului metal lichid la o distanta de 0,3 ... 0,8 m.
Convertizoarele sunt fabricate cu o capacitate de 100 ... 350 de tone de fier lichid. Consumul total de oxigen tehnic pentru producerea a 1 tonă de oțel este de 50 ... 60 m 3.
Materialele pentru producția de oțel în convertorul de oxigen sunt fontă lichidă și resturi de oțel. La convertizor se adaugă minereu de fier și var pentru dirijarea zgurii și se adaugă bauxită și spat fluor pentru a o lichefia.
Înainte de a începe lucrul, convertorul este pornit pe pinii 5 în jurul axei orizontale și, folosind o mașină de umplere, încărcați până la 30 % fier vechi, apoi fierul lichid este turnat la o temperatură de 1250 ... 1400 ° C, convertorul este readus la poziția sa verticală inițială, se introduce o lance de oxigen, se furnizează oxigen și se adaugă materiale care formează zgură.
Modificarea metalului în cursul topirii este prezentată (în Fig. 2). În timpul suflarii, oxidarea carbonului și a altor impurități are loc atât direct prin suflarea oxigenului, cât și prin oxidul de fier FeO. În același timp, se formează zgura activă cu conținutul necesar de CaO, datorită căreia sulful și fosforul sunt îndepărtați cu formarea de compuși stabili P2O5-3CaO și CaS în zgură.
În momentul în care conținutul de carbon atinge cel specificat pentru calitatea de oțel care se topește, alimentarea cu oxigen este oprită, convertizorul este rotit și se toarnă mai întâi oțelul, apoi zgura.
Pentru a reduce conținutul de oxigen, oțelul este dezoxidat la descărcarea din convertor, adică în el se introduc elemente cu o afinitate pentru oxigen mai mare decât cea a fierului (Si, Mn, A1). Interacționând cu oxidul de fier FeO, formează oxizi insolubili MnO, SiO2, A1203, trecând în zgură.
Productivitatea unui convertor de oxigen cu o capacitate de 300 de tone ajunge la 400 ... 500 t / h, în timp ce productivitatea cuptoarelor cu vatră deschisă și electrice nu depășește 80 t / h. Datorită productivității sale ridicate și consumului redus de metal, metoda convertorului de oxigen devine principala metodă de producție a oțelului.
Fig. 1 Circuit convertor de oxigen
Fig. 2 Schema de schimbare a metalului în timpul topirii
Procesul are un rol principal printre modalități existente producția de masă de oțel. Un astfel de succes al metodei convertorului de oxigen constă în posibilitatea prelucrării fontei de aproape orice compoziție, folosind fier vechi de la 10 la 30%, capacitatea de a topi o gamă largă de oțeluri, inclusiv cele aliate, cu productivitate ridicată, scăzută. costuri de construcție, flexibilitate mare și calitate a produsului într-o perioadă scurtă de timp.
Cu metoda de producție cu convertor, datorită faptului că oxidarea fosforului și a sulfului are loc simultan, este posibil să se oprească procesul la un conținut dat de carbon și să se obțină o gamă destul de largă de oțeluri carbon cu un conținut scăzut de sulf și fosfor.
Proces BOF cu suflare superioară.
Convertorul este în formă de pară, cu un gât concentric. Aceasta oferă cele mai bune condiții pentru introducerea unei lănci de oxigen în cavitatea convertorului, îndepărtarea gazelor, turnarea fontei și încărcarea deșeurilor și a materialelor care formează zgură. Carcasa convertizorului este realizată din foi de oțel sudate cu o grosime de 20 până la 100 mm. În partea centrală a convertorului, sunt atașate trunions, care sunt conectate la dispozitivul de înclinare. Mecanismul de rotire a convertizorului constă dintr-un sistem de transmisie care conectează toroane de antrenare. Convertorul poate fi rotit în jurul axei orizontale cu 360 ° la o viteză de 0,01 până la 2 rpm. Pentru convertoarele grele cu o capacitate de 200 t sau mai mult, se folosește o acționare în două sensuri, de exemplu, patru motoare, două pentru fiecare trunion
Orez. 3. Convertor cu o capacitate de 300 t cu o acționare în două sensuri a mecanismului de balansare
În partea de cască a convertorului există un orificiu pentru robinet de oțel. Eliberarea oțelului prin orificiul robinetului exclude posibilitatea pătrunderii zgurii în metal. Orificiul se închide cu argilă refractară amestecată cu apă.
Progresul procesului. Procesul de producere a oțelului într-un convertor de oxigen constă în următoarele perioade principale: încărcarea fierului vechi, turnarea fontei, suflarea cu oxigen, încărcarea formare a zgurii, scurgerea oțelului și a zgurii.
Încărcarea convertorului începe cu umplerea deșeurilor de oțel. Deșeurile sunt încărcate în convertorul înclinat prin gât folosind mașini de umplere tip tavă. Apoi, folosind supape de umplere, se toarnă fier lichid, convertizorul este poziționat în poziție verticală, este introdusă o tuyeră și este pornită alimentarea cu oxigen cu o puritate de cel puțin 99,5% O2. Concomitent cu începerea suflarii, se încarcă prima porțiune de formare a zgurii și minereu de fier (40 - 60% din total). Restul materialelor în vrac sunt introduse în convertor în timpul procesului de purjare în una sau mai multe porțiuni, cel mai adesea la 5 - 7 minute după începerea purjării.
Procesul de rafinare este influențat semnificativ de poziția lăncii (distanța de la capătul lăncii până la suprafața băii) și de presiunea oxigenului furnizat. De obicei, înălțimea lancei este menținută în intervalul 1,0 - 3,0 m, presiunea oxigenului este de 0,9 - 1,4 MPa. Un mod de purjare bine organizat asigură o bună circulație a metalului și amestecarea acestuia cu zgura. Acesta din urmă, la rândul său, contribuie la creșterea vitezei de oxidare a C, Si, Mn, P conținut în fontă.
Zgura este importantă în tehnologia procesului de transformare a oxigenului. Formarea zgurii determină în mare măsură cursul de îndepărtare a fosforului, sulfului și a altor impurități, afectează calitatea oțelului topit, randamentul și calitatea căptușelii. Scopul principal al acestei etape de topire este formarea rapidă a unei zguri cu proprietățile cerute (bazicitate, fluiditate etc.). Complexitatea acestei sarcini este asociată cu viteza mare a procesului (durata de purjare 14 - 24 de minute). Formarea zgurii cu bazicitatea necesară și proprietățile dorite depinde de viteza de dizolvare a varului în zgură. Viteza de dizolvare a varului în zgură este influențată de factori precum compoziția zgurii, oxidarea acesteia, condițiile de umezire a suprafeței de var cu zgură, amestecarea băii, regimul de temperatură, compoziția fontei etc. Prezența zonei de reacție primară (suprafața de contact a jetului de oxigen cu metalul) cu temperaturi de până la 2500 o. În această zonă, varul este expus simultan la temperaturi ridicate și zgură cu un conținut ridicat de oxizi de fier. Cantitatea de var introdusă pentru topire se determină prin calcul și depinde de compoziția fontei și de conținutul de SiO 2 din minereu, bauxită, var etc. Consumul total de var este de 5 - 8% din masa de topire, consumul de bauxită este de 0,5 - 2,0%, din matrița de topire este de 0, 15 - 1,0%. Bazicitatea zgurii finale trebuie să fie de cel puțin 2,5.
Oxidarea tuturor impurităților din fontă începe chiar de la începutul purgerii. În acest caz, siliciul și manganul sunt oxidate cel mai intens la începutul purgerii. Acest lucru se datorează afinității ridicate a acestor elemente pentru oxigen la temperaturi relativ scăzute (1450 - 1500 o C și mai puțin).
Oxidarea carbonului în procesul de transformare a oxigenului este de mare importanță, deoarece afectează regimul de temperatură al topirii, procesul de zgură și rafinare a metalului din fosfor, sulf, gaze și incluziuni nemetalice.
O trăsătură caracteristică a producției de convertizor de oxigen este neuniformitatea oxidării carbonului atât în volumul băii, cât și în timpul purgerii.
Din primele minute de purjare, concomitent cu oxidarea carbonului, începe procesul de defosforizare - îndepărtarea fosforului. Cea mai intensă îndepărtare a fosforului are loc în prima jumătate a purgerii la o temperatură relativ scăzută a metalului, conținut ridicat în zgură (FeO); bazicitatea zgurii și cantitatea acesteia crește rapid. Procesul de transformare a oxigenului face posibilă obținerea< 0,02 % Р в готовой стали.
Condițiile pentru îndepărtarea sulfului în procesul BOF nu pot fi considerate la fel de favorabile ca și pentru îndepărtarea fosforului. Motivul este că zgura conține o cantitate semnificativă de (FeO) și o bazicitate ridicată a zgurii (> 2,5) este atinsă numai în a doua jumătate a purgerii. Gradul de desulfurare în procesul de transformare a oxigenului este în intervalul 30-50%, iar conținutul de sulf în oțelul finit este de 0,02-0,04%.
La atingerea conținutului de carbon predeterminat, cele suflate sunt oprite, lancea este ridicată, convertorul este înclinat și metalul este turnat prin orificiul de robinet (pentru a reduce amestecul de metal și zgură) în oală.
Metalul rezultat conține un conținut crescut de oxigen, prin urmare, operația finală de topire este dezoxidarea metalului, care se realizează într-o oală de turnare a oțelului. În acest scop, concomitent cu descărcarea oțelului printr-un jgheab rotativ special, în oală intră dezoxidanții și aditivii de aliere.
Zgura de la convertor este turnată prin gât într-o oală de zgură instalată pe un suport de zgură sub convertor.
Debitul procesului de convertizor de oxigen este determinat de regim de temperaturăși este reglementată prin modificarea cantității de suflare și introducerea răcitorilor în convertor - fier vechi, minereu de fier, calcar. Temperatura metalului la ieșirea din convertor este de aproximativ 1600 o C.
În timpul purjării fontei, în convertor este generată o cantitate semnificativă de gaze reziduale. Pentru a folosi căldura gazelor reziduale și a îndepărta praful din acestea, în spatele fiecărui convertor sunt echipate un cazan de căldură reziduală și o unitate de curățare a gazelor.
Procesul de conversie este controlat cu ajutorul calculatoarelor moderne și puternice, în care sunt introduse informații despre materiile prime (compoziția și cantitatea de fontă, resturi, var), precum și despre parametrii procesului (cantitatea și compoziția oxigenului, deșeurile). gaze, temperatură etc.).
Proces BOF cu suflare de jos.
La mijlocul anilor '60, experimentele privind injectarea unui jet de oxigen înconjurat de un strat de hidrocarburi au arătat posibilitatea prin fund fără distrugerea materialelor refractare. În prezent, în lume sunt în funcțiune câteva zeci de convertoare BOF cu o sarcină suflată la fund de până la 250 de tone. Fiecare a zecea tonă de oțel BOF topită în lume cade în acest proces.
Principala diferență dintre convertoarele cu suflare inferioară și convertoarele cu suflare superioară este că au un volum specific mai mic, adică volumul pe tonă de fontă suflată. De la 7 la 21 de lănci sunt instalate în partea de jos, în funcție de capacitatea convertorului. Amplasarea tuyerelor în fund poate fi diferită. De obicei, acestea sunt plasate într-o jumătate a fundului, astfel încât atunci când convertizorul este înclinat, acestea să fie deasupra nivelului metalului lichid. Înainte de a instala convertizorul în poziție verticală, se începe suflarea prin tuyere.
În condițiile suflarii de fund, condițiile de amestecare a băii sunt îmbunătățite, suprafața de nucleare a metalului și eliberarea bulelor de CO cresc. Astfel, rata de decarburare în timpul suflarii de jos este mai mare în comparație cu suflarea de sus. Obținerea unui metal cu un conținut de carbon mai mic de 0,05% nu este dificilă.
Condițiile de îndepărtare a sulfului pentru suflarea de jos sunt mai favorabile decât pentru suflarea de sus. De asemenea, este asociată cu o oxidare mai scăzută a zgurii și o creștere a suprafeței de contact gaz-metal. Această din urmă împrejurare favorizează îndepărtarea unei părți a sulfului în faza gazoasă sub formă de SO2.
Avantajele procedeului cu suflare pe fund constau în creșterea randamentului de metal adecvat cu 1 - 2%, reducerea duratei de suflare, accelerarea topirii deșeurilor, o înălțime mai mică a clădirii atelierului etc. Acest lucru este de un anumit interes, în primul rând, pentru eventuala înlocuire a cuptoarelor cu vatră deschisă fără reconstrucție fundamentală a clădirilor atelierelor cu vatră deschisă.
Proces de convertizor cu purjare combinată.
Analiza atentă a avantajelor și dezavantajelor metodelor de topire a oțelului în convertoare cu suflare de sus și de jos a dus la crearea unui proces în care metalul este suflat de sus cu oxigen și de jos cu oxigen într-o cămașă de protecție sau argon. (azot). Utilizarea unui convertor cu suflare combinată, în comparație cu suflarea numai din partea de sus, face posibilă creșterea randamentului de metal, creșterea proporției de deșeuri, reducerea consumului de feroaliaje, reducerea consumului de oxigen și îmbunătățirea calității otel prin reducerea continutului de gaze in timpul suflarii cu un gaz inert la sfarsitul operatiei.
Materiale sticla-cristaline (situlls)
SITALS (materiale sticla-cristaline), materiale anorganice obţinute prin cristalizarea direcţională a diverselor pahare în timpul tratamentului termic al acestora. Consta din una sau mai multe faze cristaline. În sitals, cristalele fine (până la 2000 nm) sunt distribuite uniform în matricea sticloasă. Cantitatea de faze cristaline în sitals poate fi de 20-95% (în volum). Prin modificarea compoziției sticlei, a tipului de inițiator de cristalizare (catalizator) și a modului de tratare termică se obțin sitaluri cu diferite faze cristaline și proprietăți dorite (Tabelul 1). Pentru prima dată s-au făcut sitaluri în anii '50. Secolul XX Materialele asemănătoare cu sitalurile din străinătate se numesc pyrokeram, devitrokeram, glass ceram.
Sitall-urile au rezistență ridicată, duritate, rezistență la uzură, dilatare termică scăzută, stabilitate chimică și termică, rezistență la gaz și umiditate. În funcție de scopul lor, ele pot fi împărțite în tehnice și de construcție. Sitalele tehnice se obtin pe baza sistemelor: Li 2 O - Al 2 O 3 -SiO 2, MO-Al 2 O 3 -SiO 2, Li 2 O-MO-Al 2 O 3 - SiO 2, unde M- Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, etc.; MgO-Al203-Si02-K20-F; MO-B203-Al203 (unde M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 și alte sitaluri cu proprietăți electrice specifice.
Putere mare Sitalls se obțin în principal pe baza de sticle din sistemele MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 (compoziții de cordierit) și Na 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 (compoziții de nefelină). Pentru primul, TiO2 este inițiatorul cristalizării; s pentru ei este de 240-350 MPa. Sitalurile de compoziții de nefelină după întărirea prin tratament de schimb ionic în sărurile K topite au s din 1370 MPa. Domeniile de aplicare ale sillurilor de înaltă rezistență sunt construcția de rachete și avioane (carenaje aeriene), electronica radio.
Optic transparent rezistent la căldură și radio-transparent rezistent chimic sitall-urile se obțin pe baza de sticle din sistemul Li 2 O - A1 2 O 3 - SiO 2 (compoziții de spodumen-eucriptit); inițiator de cristalizare -TiO2. În sitalurile optic transparente, dimensiunea cristalului nu depășește jumătatea lungimii de undă a luminii vizibile. Sitall-urile care conțin eucriptită (Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2) sau spodumen (Li 2 O · Al 2 O 4 · 4SiO 2) ca principale faze cristaline au, în plus, un coeficient de temperatură. expansiune aproape de zero și uneori chiar negativă - până la -5 · 10 -6 K -1. Domenii de aplicare - tehnologie spațială și laser, astrooptică. Introducerea activatorilor de luminescență și aditivi speciali în compoziția unor astfel de sitall face posibilă utilizarea lor în celulele solare.
Rezistent la uzura si rezistente chimic sitall-urile se obțin pe baza de pahare CaO-MgO-SiO 2 (compoziții de piroxen); iniţiatori de cristalizare - fluor sau oxid de crom. Se disting prin rezistenta ridicata la uzura (abraziune 0,001 g/cm2) si rezistenta in diverse medii chimice. Sunt utilizate în industria textilă, chimică, auto, foraj și minerit.
Apeluri foto obținut de obicei pe baza de sticle din sistemul Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 cu aditivi fotosensibili (compuși de Au, Ag, Cu), care, sub acțiunea iradierii UV și a tratamentului termic suplimentar al sticlei, promovează cristalizarea lui selectivă. Ele sunt utilizate în microelectronică, tehnologia rachetelor și spațiale, optică, imprimare ca materiale sensibile la lumină (de exemplu, pentru fabricarea de materiale optice plăci de circuite imprimate, ca filtre de lumină).
Micasitalls se obţin pe bază de sticle din sistemul MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -K 2 O-F (compoziţii de fluoroflogopit, fluor-richterit, fluoroamfibol). Combină cele înalte mecanice și electrice. proprietăți cu proprietăți mecanice bune. prelucrabilitate - pot fi tăiate, găurite, frezate, șlefuite. Ele sunt utilizate în inginerie mecanică pentru fabricarea pieselor supuse frecării și uzurii, precum și un material pentru piese de configurație complexă.
Diferite obținută de obicei pe bază de sticle din sistemul CaO - MgO - SiO 2 - P 2 O 5 (compoziții apatită-wollastonită). Rezistența mecanică ridicată, compatibilitatea biologică cu țesuturile corpului le permit să fie utilizate în medicină pentru proteze dentare și proteze osoase.
Alocații de sit , obținute pe bază de sticle din sistemul PbO-ZnO-В 2 О 3 - SiO 2, au un coeficient de dilatare termică foarte scăzut (4-10) · 10 -6 K -1; Sunt utilizate pentru lipirea pieselor de sticlă ale tuburilor de imagine colorate și tuburilor catodice, etanșarea dispozitivelor semiconductoare, în producția de indicatori cu cristale lichide, în microelectronică. De asemenea, este promițătoare utilizarea unor astfel de sitali ca acoperiri de sticlă-cristaline (smalțuri de sticlă) aplicate pe suprafața diferitelor metale (W, Mo, Nb, Ta, aliajele acestora, diferite tipuri de oțel) pentru a le proteja de coroziune, oxidare. și uzură la temperaturi normale și ridicate. Ele se caracterizează prin rezistență termică și termică crescută, rezistență la abraziune, rezistență mecanică și electrică ridicată. Sunt utilizate ca acoperiri pentru părți ale motoarelor diesel, turbinelor cu gaz, reactoarelor nucleare, dispozitivelor de aviație, elementelor electrice de încălzire.
Sezule cu proprietăți electrice speciale obtinut pe baza de sticle din sistemele BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -TiO 2 si Nb 2 O 5 -CoO-Na 2 O - SiO 2. Ele sunt caracterizate printr-o constantă dielectrică ridicată (e 240-1370) și un factor de pierdere dielectric scăzut (1,5-3,2). Sunt utilizate pentru fabricarea condensatoarelor de joasă frecvență de mare capacitate, elemente piezoelectrice etc. Semiconductor, feromagnetic, feroelectric, feroelectric S. cu diverse combinatii proprietăți electrice. Sitalurile pe bază de sticle din sistemul MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 au un tan d foarte scăzut (3 · 10 -4 la 25 ° C și 104 MHz), sitalurile pe bază de metaniobat Pb au o constantă dielectrică ridicată (e 1000 -2000) ... S-au folosit ochelari B 2 O 3 -BaO-Fe 2 O 3 pentru a obține C. cu o structură cu un singur și multi-domeniu cu o dimensiune a domeniului de ~ 500 nm.
Grupul de tălpi de construcții include zgură, cenușă, petrositale, obtinuta din zgura din metalurgia feroasa si neferoasa, cenusa, stânci... Depinzând de compoziție chimică Deșeurile utilizate, care determină tipul fazei cristaline dominante, se împart în wollastonit, piroxen (inițiatori de cristalizare - oxizi de Cr, Ti, Fe, fluoruri), melilit (sistem CaO-MgO-2Al 2 O 3 -SiO 2, inițiator). de cristalizare - oxid Cr) , piroxen-augit și hedenbergit (CaO - MgO - Fe 2 O 3 - Al 2 р 3 - sistem SiO 2), forsterită (sistem CaO-MgO-SiO 2) și aegirin (Na 2 O - Fe 2 O 3 -SiO 2) C. Au caracteristici de rezistență ridicată (s este 100-180 MPa), microduritate mare (8500-9000 MPa), abraziune relativ scăzută (0,05 g/cm2), durabilitate ridicată a chimi. iar termenul, impacturi. Sunt utilizate în construcții, minerit, chimie și alte industrii.
Sitalls și produsele din acestea sunt obținute în principal folosind tehnologia sticlei și ceramicii, uneori printr-o metodă chimică. Cea mai răspândită este așa-numita tehnologie a sticlei, care include topirea sticlei dintr-un lot. turnarea produsului (presare, laminare, turnare centrifuga) si tratament termic. Ultima etapă asigură cristalizarea sticlei datorită introducerii unor inițiatori speciali - aditivi catalitici în masa sticlei - oxizi de Ti, Cr, Ni, Fe, fluoruri, sulfuri, metale din grupa platinei, precum și datorită tendinței sticlei. la licuare, care promovează formarea unei interfețe de fază și aproximează microregiunile de compoziție chimică de compoziția cristalelor viitoare. Tratamentul termic se efectuează de obicei într-un mod în două etape; temperatura primei etape se află în regiunea temperaturii de înmuiere a sticlei și corespunde vitezei maxime de nucleare a centrilor de cristalizare; în a doua etapă sunt precipitate cristalele fazei conducătoare, ceea ce determină principalele proprietăți ale sitalls.
Conform tehnologiei ceramice (pulbere) de producere a sitalla din topitură de sticlă, se obține mai întâi un granulat, care este zdrobit și uscat, după care i se adaugă un liant termoplastic, iar din masa rezultată se formează produse prin presare sau turnare slip. . Ele sunt apoi sinterizate la temperatură ridicată cu cristalizare simultană. În comparație cu ceramica cu o compoziție similară, sitalele sinterizate se caracterizează prin temperaturi de ardere mai scăzute și un interval de sinterizare extins. Tehnologia cu pulbere face posibilă obținerea de produse rezistente termic, de configurație complexă și dimensiuni reduse, din sitaluri.
Conform metodei chimice, sitall-urile se obțin în principal prin tehnologia sol-gel, care se bazează pe sinteza la temperatură scăzută (prin reacții de hidroliză și condensare) a compușilor organometalici ai elementelor care alcătuiesc sticla, la o temperatură sub punctul de topire. a lotului de sticlă. Această metodă face posibilă obținerea de sills pe bază de compoziții care nu sunt predispuse la formarea sticlei, asigură producerea de pahare de înaltă puritate și omogenitate, ceea ce îmbunătățește brusc proprietățile sitalls sintetizate pe baza lor.
FONTĂ
Fontă - acestea sunt aliaje fier-carbon care conțin mai mult de 2% carbon și care se solidifică pentru a forma un eutectic. Spre deosebire de oțel, fontele au ductilitate scăzută. Cu toate acestea, datorită proprietăților sale mari de turnare, rezistenței suficiente și relativ ieftine, fontele au găsit aplicare largăîn inginerie mecanică.
Fonta este topită în furnalele înalte, cuptoarele cu cupole și cuptoarele electrice. Fonta topită în furnalele sunt de conversie, speciale (feroaliaje) și turnătorie. Fontele speciale și transformatoare sunt utilizate pentru topirea ulterioară a oțelului și a fontei. Fonta este topită în cupole și cuptoare electrice. Aproximativ 20% din fonta topită este folosită pentru realizarea piesei turnate.
Turnarea și proprietățile mecanice ale fontei depind de cât de aproape este compoziția sa de eutectică. Pentru a evalua acest lucru, se folosesc doi indicatori:
Gradul eutectic S E este raportul dintre concentrația de carbon C din fontă și concentrația sa în eutectic, ținând cont de influența siliciului și a fosforului:
unde 4.26 este concentrația de carbon în eutectica sistemului „fier-grafit” (vezi Fig. 7.1.), Si și P sunt conținutul acestor elemente în fontă,%.
Echivalent carbon definit ca:
C eq = C + 0,3 (Si + P)
Fontele sunt împărțite în: hipoeutectic (S eh< 1, C эв < 4,2–4,3), eutectic (S e 1, C eq 4.2-4.3) și hipereutectic (S e> 1, C ev> 4,2–4,3).
Fontele în timpul cristalizării și răcirii ulterioare se pot comporta diferit (Fig. 1): fie în conformitate cu diagrama de fază metastabilă a Fe-Fe 3 C (fonte albe în care este prezent carbonul sub formă de Fe 3 C), fie în conform unei diagrame Fe-C stabile (fonte cenușii în care este prezent carbonul sub formă de grafit).
În diagramele prezentate (Fig. 1), pe lângă liniile comune AC, AE, GS, restul liniilor nu coincid. În sistemul Fe-C, eutecticul de grafit (austenită-grafit) conține 4,26% C și se formează la 1 153 ° C. De-a lungul liniei E " S " în intervalul de temperatură 1 153–738 ° С, se precipită grafitul secundar. Transformarea eutectoidului are loc la 738 ° C cu formarea unui eutectoid (ferită + grafit). Utilizarea diagramelor Fe-C și Fe-Fe 3 C nu diferă fundamental una de cealaltă.
Probabilitatea de formare a cementitului din faza lichidă este mult mai mare decât cea a grafitului. Orice proces este determinat de condițiile termodinamice și cinetice ale cursului. Forța motrice din spatele procesului de grafitizare este dorința sistemului de a reduce stocul energie gratis... Cementitul este o fază mai puțin stabilă termodinamic decât grafitul. Cu toate acestea, diferența dintre temperaturile de formare a cementitului și a grafitului este mică și, cu o suprarăcire relativ mică, va avea loc cristalizarea cementitului, mai degrabă decât a grafitului.
Grafitul se formează numai la viteze scăzute de răcire într-un interval de temperatură îngust, atunci când gradul de suprarăcire al fazei lichide este scăzut. Cu răcirea accelerată și subrăcirea fierului lichid sub 1.147 ° C, se formează cementită.
Grafitizarea se numeşte procesul de eliberare a grafitului în timpul cristalizării sau răcirii fontelor. Grafitul se poate forma atât din faza lichidă în timpul cristalizării, cât și din faza solidă. Conform diagramei Fe-C de sub linia C " D " se formează grafitul primar, de-a lungul liniei E " C " F " - grafit eutectic, de-a lungul liniei E " S " - grafit secundar si de-a lungul liniei P " S " LA " - grafit eutectoid.
Grafitizarea fontei și completitatea acesteia depind de viteza de răcire, compoziția chimică și prezența centrelor de grafitizare.
Efectul vitezei de răcire se datorează faptului că grafitizarea fontei decurge foarte lent și include mai multe etape:
· Formarea centrelor de grafitizare în fază lichidă sau austenită;
· Difuzia atomilor de carbon către centrele de grafitizare;
· Creșterea precipitațiilor de grafit.
În timpul grafitizării cementitei se adaugă etape de descompunere preliminară a Fe3C și dizolvarea carbonului în austenită. Cu cât răcirea fontei este mai lentă, cu atât procesul de grafitizare este mai mare.
In functie de gradul de grafitizare se disting fontele alb , griși cu jumătate de inimă .
Fonte albe - se obțin cu răcire accelerată și cu suprarăcire a fierului lichid sub 1.147 ° C, când, datorită caracteristicilor structurale și cinetice, se va forma o fază de Fe 3 C metastabilă, mai degrabă decât grafitul. Fontele albe care conțin carbon legat sub formă de Fe 3 C sunt foarte dure, casante și foarte greu de tăiat. Prin urmare, ele nu sunt folosite ca material structural, ci sunt folosite pentru a obține fontă ductilă prin recoacere cu grafitizare.
Fonte cenușii - se formează numai la viteze scăzute de răcire într-un interval îngust de temperatură, când gradul de suprarăcire al fazei lichide este scăzut. În aceste condiții, tot sau mare parte din carbon este grafitizat sub formă de grafit lamelar, iar conținutul de carbon sub formă de cementit nu este mai mare de 0,8%. Fontele cenușii au proprietăți tehnologice și de rezistență bune, ceea ce determină utilizarea lor pe scară largă ca material structural.
Fonte pe jumătate - ocupă o poziție intermediară între fontele albe și cenușii, iar în ele cantitatea principală de carbon (mai mult de 0,8%) este sub formă de Fe 3 C. Fonta are structura perlită, ledeburită și grafit lamelar.
Fontele industriale conțin 2,0–4,5% C, 1,0–3,5% Si, 0,5–1,0% Mn, până la 03% P și până la 0,2% S. Cel mai puternic efect pozitiv asupra siliciului face grafitizarea. Variind conținutul de siliciu, se pot obține fonte cu structuri și proprietăți diferite. Diagrama structurală(Fig. 2) indică aproximativ limitele regiunilor structurale în funcție de conținutul de siliciu și carbon la un conținut de 0,5% Mn și o viteză de răcire dată (cu o grosime a peretelui turnării de 50 mm).
Manganul inhibă grafitizarea, crescând tendința de albire a fontei. Sulful este o impuritate dăunătoare. Efectul său de albire este de 5-6 ori mai mare decât cel al manganului. În plus, sulful reduce fluiditatea, favorizează formarea de bule de gaz, crește contracția și tendința de a forma fisurare. Fosforul nu afectează grafitizarea și este o impuritate utilă, crescând fluiditatea fontei cenușii datorită formării unui eutectic fosfurat cu punct de topire scăzut (950–980) ° C.
Orez. 2. Schema structurala: 1 - fonte albe; 2 - jumătate de fontă; 3, 4, 5 - fonte cenușii pe baze de perlit, respectiv ferită-perlită și respectiv ferită
Astfel, prin ajustarea compoziției chimice și a vitezei de răcire, este posibilă obținerea structurii de fontă dorită în piese turnate.
Clasificarea fontelor cenușii
Fonta cenușie poate fi gândită ca o structură care constă dintr-o bază metalică cu incluziuni de grafit. Proprietățile fontei depind de proprietățile bazei metalice și de natura incluziunilor de grafit.
Baza metalica poate fi: perlită când 0,8% C este sub formă de cementit, iar restul de carbon este sub formă de grafit; ferita-perlita, când cantitatea de carbon sub formă de cementită este mai mică de 0,8% C; feritic când carbonul este substanțial sub formă de grafit.
În funcție de forma incluziunilor de grafit, fontele cenușii se clasifică în:
· Fontă cu grafit lamelar;
· Fontă cu grafit fulgi (fontă ductilă);
· Fontă nodulară (fontă ductilă);
· Fontă cu grafit vermicular.
Figura 3 prezintă o clasificare generalizată a fontelor în funcție de structura bazei metalice și de forma grafitului.
Microstructura fontelor este prezentată în Fig. 7.4.
Orez. 3. Clasificarea fontelor după structura bazei metalice și sub formă de incluziuni de grafit
Orez. 4. Diverse forme grafit în fontă: a) grafit lamelar; b) grafit în fulgi; c) grafit nodular; d) grafit vermicular. × 200
În comparație cu baza metalică, grafitul are o rezistență scăzută. Prin urmare, incluziunile de grafit pot fi considerate discontinuități (goluri) în baza metalică, iar fonta poate fi considerată ca oțel pătruns de incluziuni de grafit care îi slăbesc baza metalică. În același timp, prezența grafitului determină o serie de avantaje ale fontei: fluiditate bună și contracție scăzută; prelucrabilitate bună (grafitul face așchiile casante); proprietăți mari de amortizare; proprietăți antifricțiune etc.
Fontele cu proprietăți speciale sunt alocate unui grup separat în timpul clasificării. De regulă, aceste fonte sunt aliate și sunt împărțite în funcție de scopul lor în următoarele tipuri: antifricțiune, rezistent la uzură, rezistent la căldură, rezistent la coroziune, rezistent la căldură.
Marcaj din fontă
Conform marcajului adoptat în URSS, denumirile mărcilor de fontă de furnal conțin litere și numere. Literele indică scopul principal al fontei: P - fier de conversie pentru producția de convertizor de oxigen și vatră deschisă și L - turnătorie pentru turnătorie de fier. Cocsul de fontă este desemnat LC, spre deosebire de fonta topită pe cărbune (LD). Odată cu creșterea numărului în denumirea mărcii, conținutul de siliciu scade (de exemplu, fonta LK5 conține mai puțin siliciu decât fonta LK4). Fiecare grad de fontă, în funcție de conținutul de Mn, P, S, este împărțit corespunzător în grupe, clase și categorii.
Calitățile de fontă ale producției de turnătorie, de regulă, sunt desemnate prin litere care arată natura sau scopul de bază a fontei: SCh - Ch. gri, VCh - de înaltă rezistență, KCh - maleabil; pentru fonta antifrictiune, litera A este indicata la inceputul marcii (ASCh, AVCh, AKCh). Numerele din denumirea claselor de fontă nealiată indică proprietățile sale mecanice. Pentru fontele cenușii, sunt indicați indicatorii reglementați ai rezistenței la tracțiune și la încovoiere (in kgf / mm 2), de exemplu SCH21-40, SCH 15, SCH 20, SCH 35.
Pentru fonta ductilă și ductilă, numerele determină rezistența la tracțiune (in kgf / mm 2) și alungirea relativă (în%), de exemplu VCh60-2. Desemnarea calităților de fontă aliată constă în litere care indică elementele de aliere incluse în compoziția fontei și numerele imediat din spatele fiecărei litere care caracterizează conținutul mediu al acestui element de aliere; dacă conținutul de element de aliere este mai mic de 1,0%, nu se pun numerele din spatele literei corespunzătoare. Simbol elemente chimice la fel ca şi pentru denumirea oţelurilor. Un exemplu de denumire a fontelor aliate: ЧН19ХЗ - fontă care conține ~ 19% Ni și ~ 3% Cr. Dacă forma sferică a grafitului este reglată în fontă aliată, la sfârșitul gradului se adaugă litera Ш (ЧН19ХЗШ).
Lista bibliografică
1. Sokolov RS „Tehnologia chimică”, 2003;
2. Macmillan P.W. „Sticlă ceramică”, 1967;
3. Pavlushkin N.M. „Bazele tehnologiei sitall”, 1970;
4. Girshovich N.G. „Turnare fier”, 1949;
5. Drits M.E., Moskalev M.A. „Tehnologia materialelor structurale și știința materialelor”, 1990;
6. Pentru întocmirea acestei lucrări s-au folosit materiale de pe șantiere:
http://www.orbeta.ru/stati/chugunyi.html
http://ru.wikipedia.org
Trucuri noi de înșelătorie telefonică pe care oricine poate cădea
Materiale de construcție
MATERIALE DE CONSTRUCȚIE- principalele tipuri de materiale din care sunt realizate mașinile, echipamentele, dispozitivele, se construiesc cadrele clădirilor, podurile și alte structuri și care suportă sarcina principală de putere în timpul funcționării lor.Materialele structurale se clasifică după o gamă largă de caracteristici: după aplicabilitatea lor - în inginerie mecanică, în construcții; prin natura formării - metalice, nemetalice, compozite; prin reacție la influențe externe - inflamabil, rezistent la coroziune, rezistent la căldură, rezistent la frig; conform proprietăților manifestate în diverse metode de prelucrare - plastic, refractar, sudabil, predispus la fisurare, întăribil etc.; prin metode de producție - aliaje, presate, laminate, țesute, formate, pelicule.
Indicatorii importanți ai materialelor structurale sunt proprietățile lor de rezistență - rezistența la compresiune, tensiune, încovoiere, rezistență la sarcinile de vibrație, precum și o serie de proprietăți speciale luate în considerare la proiectarea mașinilor, echipamentelor și structurilor clădirii. Printre acestea se numără ușurința cu anumite proprietăți de rezistență, rezistența la uzură, conductivitatea electrică și termică, capacitatea de a trece gazele etc.
La alegerea materialelor structurale în procesul de proiectare a produselor se folosesc parametrii lor tehnici și economici - costul, rata de utilizare și intensitatea forței de muncă în conditii diferite prelucrare etc. În condiții moderne, atunci când sarcina unei creșteri radicale a nivelului tehnic și a calității produselor, în special a mașinilor și echipamentelor, economisirea completă a resurselor materiale, introducerea tehnologiilor de economisire a resurselor, reducerea masei de structurilor crescând în același timp fiabilitatea acestora, cerințele pentru indicatorii de calitate a materialelor de construcție au crescut dramatic și au devenit mai sofisticate.
De exemplu, sunt necesare materiale structurale care să fie ușoare și, în același timp, rezistente la căldură, reținând rezistența atât la temperaturi înalte, cât și la temperaturi scăzute, plastic și care rezisten bine la sarcinile de șoc etc. Astfel de cerințe au condus la apariția unui număr de noi structuri structurale. materiale. Aliajele pe bază de aluminiu, titan și mai ales magneziu sunt promițătoare.
Cu o creștere a cerințelor pentru proprietățile de rezistență, precum și pentru păstrarea acestor proprietăți în diferite condiții extreme, se asociază o nouă direcție de obținere a materialelor structurale și anume sinteza acestora din elemente cu valori limită ale proprietăților - extrem de puternice. , refractare, termostabile etc. Astfel de materiale constituie o nouă clasă de materiale structurale compozite. Acestea folosesc diverse fibre, fire, fire, mustați, granule, compuși dispersați cu duritate ridicată și refractară, oxizi, carburi, care alcătuiesc fie o armătură, fie o umplutură dintr-un material structural compozit.
Conform anumitor parametri, astfel de materiale de construcție pot depăși toate materiile prime cunoscute. Noi proprietăți de rezistență ale materialelor structurale sunt obținute prin prelucrarea specială a metalelor, pulverizarea termică a pulberilor metalice etc.
Progresul științific și tehnologic în inginerie mecanică și construcții necesită îmbunătățirea în continuare a calității tuturor tipurilor de materiale structurale și dezvoltarea tehnologiei pentru prelucrarea acestora. Al XXVII-lea Congres al PCUS a subliniat necesitatea îmbunătățirii structurii și calității materialelor structurale, pe baza sarcinilor de a crea o tehnologie nouă, progresivă și de a implementa o direcție de economisire a resurselor în dezvoltarea economiei.
Se are în vedere o dezvoltare accelerată a producției tipuri economice produse metalice, materiale sintetice și alte materiale avansate, extinderea gamei de produse, îmbunătățirea tehnică și economică și creșterea caracteristicilor de rezistență și anticoroziune ale materialelor structurale. Soluția la această problemă este deosebit de importantă în legătură cu influența tot mai mare a materialelor structurale asupra accelerării progresului științific și tehnologic.
Acestea sunt materiale din care sunt realizate părți structurale (mașini și structuri), care percep sarcina de putere și se disting prin rezistența la uzură.
Pentru o lungă perioadă de dezvoltare, societatea umană a folosit o gamă limitată de materiale pentru nevoile sale practice: lemn, piatră, fibre naturale, lut ars, sticla, fier etc. Revolutia industriala a secolului al XVIII-lea. și dezvoltarea în continuare a tehnologiei, în special crearea de motoare cu abur și motoare cu ardere internă, mașini electriceși mașini, complicau cerințele pentru materialele pieselor lor, pentru rezistența lor, rezistența la temperatură etc. La acea vreme, principalele materiale structurale erau aliajele pe bază de fier (vezi Fier, oțel, fontă), cupru (bronz, alamă). ), plumb și cositor.
La proiectarea aeronavelor, materialele structurale au necesitat o rezistență specifică ridicată; Materialele plastice din lemn (placaj), oțelurile slab aliate, aliajele de aluminiu și magneziu sunt utilizate pe scară largă. Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei aviației a condus la crearea de noi aliaje rezistente la căldură pe bază de aliaje de nichel și cobalt, titan, aluminiu, magneziu, potrivite pentru funcționare pe termen lung la temperaturi ridicate.
Odată cu îmbunătățirea tehnologiei, cerințele pentru materialele structurale devin din ce în ce mai complicate. Așadar, construcțiile navale au nevoie de oțeluri și aliaje bine sudabile, rezistente la coroziune, iar ingineria chimică are nevoie de rezistență ridicată și pe termen lung în medii corozive. Energia nucleară folosește materiale de construcție care, având în vedere rezistența lor, trebuie să satisfacă încă o cerință - o secțiune transversală mică pentru captarea neutronilor.
Există multe materiale diferite de construcție. Prin natura lor, ele sunt împărțite în metalice, nemetalice și compozite.
Majoritatea claselor de oțel aparțin materialelor structurale metalice. Oțelul se obține în convertoare, cu vatră deschisă și cuptoare electrice, precum și metodele de topire a zgurii electrice (vezi. Turnare), evacuare etc. Fonta este utilizată pe scară largă în inginerie mecanică pentru fabricarea patului, arborilor cotiți, roților dințate, cilindrilor motoarelor cu ardere internă etc.
Aliajele de nichel și cobalt își păstrează rezistența la 1000-1100 ° C, sunt topite în cuptoare cu arc de vid, cu plasmă și cu fascicul de electroni (vezi Plasmatron, tehnologia cu plasmă, tehnologia fasciculului de electroni). Aceste aliaje sunt utilizate în motoare de avioane și rachete, turbine cu abur etc. Aliajele de aluminiu sunt folosite la fabricarea de carene pentru avioane, elicoptere, rachete, nave. Aliajele de magneziu sunt folosite în construcția de aeronave, în industria auto, în industria textilă și tipografică etc. Aliajele de titan, care se caracterizează printr-o rezistență specifică deosebit de ridicată și rezistență la coroziune, sunt utilizate în aviație, industria chimică, medicină. , etc pe baza de cupru, zinc, molibden, zirconiu, crom, beriliu.
Materialele structurale nemetalice includ materiale plastice, polimeri termoplastici, ceramica, materiale refractare etc. Materialele plastice pe baza de rășini termorigide, epoxidice, fenolice și fluoroplastice, armate (armate) cu sticlă, cuarț, azbest și alte fibre, sunt utilizate în construcția avioanelor. , rachete, energie și mașini de transport. Materialele polimerice termoplastice - polistiren, poliamide, fluoroplastice - sunt utilizate în părți ale echipamentelor electrice și radio etc.
Materialele ceramice sunt folosite pentru a face piese care funcționează la temperaturi ridicate. Cauciucurile pe bază de diferite cauciucuri, întărite cu țesături de snur, sunt folosite pentru producerea de anvelope sau roți monolitice pentru avioane și automobile.
Tehnologia modernă continuă să impună cerințe din ce în ce mai noi asupra materialelor structurale. Deci, de exemplu, pentru a reduce greutatea aeronavelor, se folosesc structuri multistrat, care se disting în același timp prin ușurință, rezistență și rigiditate. Multe domenii ale tehnologiei necesită materiale care combină rezistența structurală cu proprietăți electrice, termice, optice și alte proprietăți ridicate.
Aproape toate elementele tabelului periodic au fost folosite în compoziția materialelor structurale. Eficiența aliajelor metalice clasice este obținută printr-o combinație de aliaje speciale, topire de înaltă calitate și tratament termic.
În viitor, una dintre metodele de obținere a materialelor structurale eficiente va fi sintetizarea lor largă din elemente cu valori limită ale proprietăților, adică extrem de puternice, extrem de refractare, termostabile etc. Astfel de materiale se numesc materiale compozite. La fabricarea lor se folosesc elemente de mare rezistenta (fibre, fire, mustati, compusi refractari etc., constituind o armatura sau umplutura), legate printr-o matrice dintr-un material rezistent si plastic (aliaje metalice sau materiale polimerice). Materialele compozite din punct de vedere al rezistenței specifice pot fi cu 50-100% mai mari decât aliajele de oțel sau aluminiu și oferă o economie de greutate a structurii cu 20-50%. Prin urmare, acum se acordă o atenție deosebită producției de materiale de construcție și îmbunătățirii calității acestora.
Cerințe generale pentru materialele de construcție
Materialele structurale sunt cele destinate fabricării pieselor de mașini, dispozitivelor, structurilor inginerești care sunt expuse la solicitări mecanice. Mașinile și dispozitivele fabricate se caracterizează printr-o mare varietate de forme, dimensiuni, condiții de funcționare. Acestea funcționează sub sarcini statice, ciclice și de șoc, la temperaturi scăzute și ridicate, în contact cu diverse medii. Acești factori determină cerințele pentru materialele structurale, dintre care principalele sunt operaționale, tehnologice și economice.
Cerințe operaționale sunt de o importanță capitală. Pentru a asigura operabilitatea mașinilor și dispozitivelor specifice, materialul structural trebuie să aibă o rezistență structurală ridicată.
Rezistența structurală se numește un set de proprietăți mecanice care asigură funcționarea fiabilă și pe termen lung a materialului în condiții de funcționare.
Proprietățile mecanice care determină rezistența structurală și alegerea materialului structural sunt discutate mai jos. Caracteristicile necesare ale proprietăților mecanice ale materialului pentru un anumit produs depind nu numai de factorii de forță, ci și de efectul mediului de lucru și al temperaturii asupra acestuia.
Mediul - lichid, gazos, ionizat, radiații, în care funcționează materialul, are un efect semnificativ și predominant negativ asupra proprietăților sale mecanice, reducând performanța pieselor. În special, mediul de lucru poate provoca deteriorarea suprafeței din cauza fisurării prin coroziune sub tensiune, a oxidării și a formării de calcar, modificări ale compoziției chimice a stratului de suprafață ca urmare a saturației cu elemente nedorite. În plus, umflarea și distrugerea locală a materialului sunt posibile ca urmare a ionizării și a expunerii la radiații. Pentru a rezista mediului de lucru, materialul trebuie să aibă nu numai proprietăți mecanice, ci și anumite proprietăți fizice și chimice: rezistență la coroziune electrochimică, rezistență la căldură, rezistenta la radiatii, rezistența la umiditate, capacitatea de a lucra în vid etc.
În unele cazuri, este, de asemenea, important să se solicite anumite proprietăți magnetice, electrice, termice, stabilitate dimensională ridicată a pieselor (în special piese de înaltă precizie ale dispozitivelor).
Cerințe tehnologice au scopul de a asigura cea mai mică laboriozitate a pieselor și structurilor de fabricație. Fabricabilitatea materialului caracterizează metodele posibile de prelucrare a acestuia. Se evaluează prin prelucrabilitate, presiune, sudabilitate, turnabilitate, precum și întăribilitatea, tendința de a se deforma și deforma în timpul tratamentului termic. Fabricabilitatea materialului este importantă, deoarece productivitatea și calitatea fabricării pieselor depind de aceasta.
Cerințe economice se reduc la faptul că materialul are un cost scăzut și este accesibil. Pe cât posibil, oțelurile și aliajele ar trebui să conțină o cantitate minimă de elemente de aliere. Utilizarea materialelor care conțin elemente de aliere ar trebui să fie justificată de o creștere a proprietăților operaționale ale pieselor. Cerințele economice, precum și cele tehnologice, capătă o semnificație deosebită odată cu scara de masă a producției.
Astfel, un material de construcție de înaltă calitate trebuie să îndeplinească un set de cerințe.
Rezistența materialelor structurale și criteriile de evaluare a acesteia
Rezistența structurală este o caracteristică complexă care include o combinație de criterii de rezistență, fiabilitate și durabilitate.
Criterii de forță materialul se alege în funcție de condițiile de lucru. Criteriile de rezistență la sarcini statistice sunt rezistența finală sau limita de curgere, care caracterizează rezistența unui material la deformarea plastică. Deoarece deformarea plastică este inacceptabilă în timpul funcționării majorității pieselor, capacitatea portantă a acestora este de obicei determinată de punctul de curgere. Pentru o evaluare aproximativă a rezistenței statice se utilizează duritatea HB.
Majoritatea pieselor mașinii sunt supuse sarcinilor ciclice pe termen lung. Criteriul pentru puterea lor este limita de anduranță. După valoarea criteriilor de rezistență selectate, se calculează tensiunile de funcționare admise. În acest caz, cu cât rezistența materialului este mai mare, cu atât tensiunile de funcționare admise sunt mai mari și astfel dimensiuni mai miciși masa piesei. Cu toate acestea, o creștere a nivelului de rezistență a materialului și, în consecință, a tensiunilor de lucru este însoțită de o creștere a deformațiilor elastice.
Pentru a limita deformarea elastică, materialul trebuie să aibă un modul mare de elasticitate (sau forfecare), care este un criteriu pentru rigiditatea sa. Criteriile de rigiditate, și nu de rezistență, sunt cele care determină dimensiunile patului mașinii, carcasele cutiei de viteze și alte părți care sunt necesare pentru a menține dimensiunile și forma exacte.
Este posibilă și cerința inversă. Pentru arcuri, membrane și alte elemente elastice sensibile ale dispozitivelor, dimpotrivă, este important să se asigure deplasări elastice mari. Pentru materialele utilizate în aviație și rachetă, eficiența în masă a materialului este importantă.
Astfel, ca criterii pentru rezistența structurală, sunt alese acele caracteristici care reflectă cel mai pe deplin rezistența în condiții de funcționare.
Fiabilitate- proprietatea materialului de a rezista la rupere fragilă. Ruptura fragilă provoacă defecțiunea bruscă a pieselor aflate în funcțiune. Este considerat cel mai periculos din cauza debitului său de mare viteză la tensiuni sub proiectare, precum și a posibilelor consecințe de urgență.
Pentru a preveni fracturile fragile, materialele structurale trebuie să aibă suficientă ductilitate și duritate. Cu toate acestea, acești parametri de fiabilitate, determinați pe eșantioane mici de laborator fără a ține cont de condițiile de funcționare ale unei anumite piese, sunt destul de indicativi numai pentru materialele moi cu rezistență scăzută. De asemenea, este necesar să se țină seama de faptul că în condiții de funcționare există factori care le reduc și mai mult ductilitatea, duritatea și cresc riscul de fractură fragilă. Astfel de factori includ concentratoare de tensiuni (crestături), scăderi de temperatură, sarcini dinamice și o creștere a dimensiunii pieselor.
Pentru a evita avariile bruste in conditii de functionare, trebuie luata in considerare rezistenta la fisurare a materialului. Rezistența la fisuri este un grup de parametri de fiabilitate care caracterizează capacitatea unui material de a inhiba propagarea fisurilor.
Cuantificarea tenacității la rupere se bazează pe mecanica liniară a ruperii. În conformitate cu acesta, centrele de distrugere a materialelor de înaltă rezistență sunt mici fisuri de origine operațională sau tehnologică. Fisurile sunt concentratoare de tensiuni ascuțite, tensiuni locale (locale), în vârful cărora pot fi de multe ori mai mari decât tensiunile medii de proiectare.
Durabilitate- proprietatea materialului de a rezista la dezvoltarea distrugerii treptate, asigurand performanta pieselor pentru un timp dat. Motivele pierderii capacității de lucru sunt variate: dezvoltarea oboselii, uzurii, fluajului, coroziunii, umflarea prin radiații etc. Aceste procese determină o acumulare treptată a deteriorării ireversibile a materialului și distrugerea acestuia. Asigurarea durabilității materialului înseamnă reducerea ratei de distrugere a acestuia la valorile cerute.
Pentru majoritatea pieselor de mașină, durabilitatea este determinată de rezistența materialului la oboseală (durabilitate ciclică) sau rezistența la uzură. Prin urmare, aceste motive pentru pierderea performanței materialului necesită o analiză detaliată.
Durabilitate ciclică caracterizează performanţa materialului în condiţii de cicluri repetitive de solicitare. Ciclul de tensiuni este un set de modificări ale tensiunii între cele două valori limită ale sale σ max și σ min în timpul perioadei T.
Procesele de acumulare treptată a deteriorării într-un material sub acțiunea sarcinilor ciclice, ducând la modificarea proprietăților acestuia, formarea de fisuri, dezvoltarea și distrugerea lor, se numesc oboseală și proprietatea de a rezista la oboseală și rezistență.
Rezistenta la uzura- proprietatea materialului de a oferi rezistenta la uzura in anumite conditii de frecare. Uzura este un proces de distrugere treptată a straturilor de suprafață ale unui material prin separarea particulelor acestuia sub influența forțelor de frecare. Rezultatul uzurii se numește uzură. Este determinat de o modificare a dimensiunii, o scădere a volumului sau a masei. Rezistența la uzură a unui material este estimată ca reciproca vitezei de uzură.
Clasificarea materialelor structurale
Lista materialelor structurale utilizate în inginerie mecanică și fabricarea instrumentelor este mare și pot fi clasificate în funcție de diferite criterii. Cele mai multe dintre ele, cum ar fi oțelurile, fontele, cuprul și aliajele de metale ușoare, sunt versatile. Au multe beneficii și sunt utilizate într-o varietate de piese și modele.
Alături de materialele universale, se folosesc materiale de construcție cu un anumit scop funcțional: rezistente la căldură, materiale cu proprietăți elastice ridicate, rezistente la uzură, la coroziune și la căldură.
Clasificarea clasifică materialele de construcție în funcție de proprietățile care determină alegerea materialului pentru anumite părți structurale. Fiecare grup de materiale este evaluat după criterii adecvate pentru a asigura operabilitatea în exploatare. Materialele universale sunt considerate în mai multe grupe, dacă aplicabilitatea lor este determinată de criterii diferite. În conformitate cu principiul de clasificare ales, toate materialele structurale sunt împărțite în următoarele grupuri:
1. Materiale care asigură rigiditate, rezistență statică și ciclică
2. Materiale cu proprietăți tehnologice deosebite
3. Materiale rezistente la uzură
4. Materiale cu proprietăți elastice ridicate
5. Materiale de joasă densitate
6. Materiale cu rezistență specifică ridicată
7. Materiale rezistente la temperatura si mediul de lucru
Oțeluri care asigură rigiditate, rezistență statică și ciclică
Părțile mașinilor și dispozitivelor care transmit sarcina trebuie să aibă rigiditate și rezistență suficiente pentru a limita deformarea elastică și plastică, cu fiabilitate și durabilitate garantate. Dintre varietatea de materiale, aliajele pe bază de fier - fontă și în special oțel - satisfac aceste cerințe în cea mai mare măsură. Otelurile au un modul mare de elasticitate mostenit de la fier si astfel o rigiditate ridicata, al doilea dupa bor, wolfram, molibden, beriliu, care sunt folosite doar in cazuri speciale datorita costului lor ridicat. Rigiditatea și disponibilitatea ridicate determină utilizarea pe scară largă a oțelurilor pentru fabricarea structurilor metalice de construcții, părți ale caroseriei, șuruburi pentru mașini, arbori și multe alte piese de mașini.
Rigiditatea ridicată a oțelului este combinată cu o rezistență statică și ciclică suficientă, a cărei valoare poate fi ajustată într-o gamă largă prin modificarea concentrației de carbon, elemente de aliere și tehnologia de tratament termic și chimico-termic.
Aliajele pe bază de cupru, aluminiu, magneziu, titan și, de asemenea, materiale plastice utilizate în tehnologie sunt inferioare oțelului în ceea ce privește rigiditatea, rezistența sau fiabilitatea. Pe lângă complexul acestor proprietăți importante pentru performanța pieselor, oțelurile pot avea și o serie de alte calități valoroase care le fac un material universal. Cu tehnologia adecvată de aliere și tratament termic, oțelul devine rezistent la uzură sau la coroziune sau la căldură și la căldură și capătă, de asemenea, proprietăți speciale magnetice, termice sau elastice. Proprietăți bune de procesare sunt, de asemenea, inerente. În plus, este relativ ieftin. Datorită acestor avantaje, oțelul este principalul material metalic din industrie.
Clasificarea otelurilor de structura
Otelurile sunt clasificate in functie de compozitia chimica, calitatea, gradul de dezoxidare, structura si rezistenta.
Prin chimicale compoziția oțelului este clasificată în carbon și aliaj. După concentrația de carbon, ambele sunt subdivizate în emisii scăzute de carbon (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (>0,7% C). Otelurile aliate, in functie de elementele introduse, se impart in crom, mangan, crom-nichel, crom-siliciu-mangan si multe altele. După numărul de elemente introduse, acestea se împart în slab, mediu și înalt aliate. La oțelurile slab aliate, cantitatea de elemente de aliere nu depășește 5%, la oțelurile mediu aliate conține de la 5 la 10%, la înalt aliat - mai mult de 10%.
Prin calitate oțelurile sunt clasificate în oțeluri de calitate obișnuită, de înaltă calitate, de înaltă calitate și de calitate superioară.
Calitatea oțelului este înțeleasă ca un ansamblu de proprietăți determinate de procesul metalurgic de producere a acestuia. Uniformitatea compoziției chimice, structurii și proprietăților oțelului, precum și fabricabilitatea acestuia, depind în mare măsură de conținutul de gaze (oxigen, hidrogen, azot) și de impurități nocive - sulf și fosfor. Gazele sunt latente, cantitativ greu de determinat impurități, prin urmare, normele privind conținutul de impurități nocive sunt principalii indicatori pentru separarea oțelurilor după calitate. Oțelurile de calitate obișnuită conțin până la 0,055% S și 0,045% P, de înaltă calitate - nu mai mult de 0,04% S și 0,035% P, de înaltă calitate - nu mai mult de 0,025% S și 0,025% P, în special de înaltă calitate - nu mai mult de 0,015% S și 0,025% P ...
După gradul de dezoxidare iar natura de întărire a oțelului este clasificată în calm, semicalm și în fierbere. Dezoxidarea este procesul de îndepărtare a oxigenului dintr-un metal lichid, efectuat pentru a preveni ruperea fragilă a oțelului în timpul deformării la cald.
Otelurile calme sunt dezoxidate cu mangan, siliciu si aluminiu. Conțin puțin oxigen și se solidifică în liniște, fără gaze. Otelurile la fierbere sunt dezoxidate numai cu mangan. Înainte de turnare, acestea conțin o cantitate crescută de oxigen, care, atunci când se solidifică, interacționează parțial cu carbonul, este îndepărtat sub formă de CO. Eliberarea de bule de CO dă impresia de fierbere a oțelului, motiv pentru care numele său este legat. Lamele de fierbere sunt ieftine, sunt produse cu conținut scăzut de carbon și practic fără siliciu (Si< 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Din punct de vedere al gradului de dezoxidare, otelurile semicalme ocupa o pozitie intermediara intre cele calme si cele fierbinti.
La gradarea oțelului după structură luați în considerare particularitățile structurii sale în stările recoapte și normalizate. Structural, în starea recoaptă (de echilibru), oţelurile de structură se împart în patru clase: 1) hipoeutectoide, cu exces de ferită în structură; 2) eutectoid, a cărui structură este formată din perlit; 3) austenitic; 4) feritic. Oțelurile carbon pot fi din primele două clase, aliate - din toate clasele.
Efectul carbonului și al impurităților permanente asupra proprietăților oțelului
Oțelul este un aliaj complex fier-carbon. Pe lângă fier și carbon - componentele principale, precum și posibilele elemente de aliere, oțelul conține o anumită cantitate de impurități permanente și aleatorii care îi afectează proprietățile.
Carbonul, a cărui concentrație în oțelurile de structură ajunge la 0,8%, are un efect decisiv asupra proprietăților acestora. Gradul de influență depinde de starea structurală a oțelului, de tratamentul termic al acestuia.
După recoacere, oțelurile de structură carbon au o structură ferită-perlită, formată din două faze - ferită și cementită. Cantitatea de cementită, care se caracterizează prin duritate și fragilitate ridicată, crește proporțional cu concentrația de carbon. În acest sens, pe măsură ce conținutul de carbon crește, rezistența și duritatea cresc, dar ductilitatea și duritatea oțelului scad.
Influența carbonului este și mai semnificativă în cazul unei structuri de oțel neechilibrate. După călire pentru martensită, rezistența la tracțiune a oțelurilor aliate crește rapid odată cu creșterea conținutului de carbon și atinge un maxim la 0,4% C. La o concentrație mai mare de carbon, acesta devine instabil din cauza ruperii fragile a oțelului, după cum evidențiază valorile scăzute. puterea impactului... La temperare scăzută, proprietățile mecanice sunt complet determinate de concentrația de carbon din soluția solidă.
Carbonul modifică, de asemenea, proprietățile tehnologice ale oțelului. Odată cu creșterea conținutului său, capacitatea oțelurilor de a se deforma la cald și mai ales la rece scade, iar sudarea devine mai dificilă.
Impurități permanente în oțel: mangan, siliciu, sulf, fosfor, precum si gaze: oxigen, azot, hidrogen.
Mangan- impuritate utilă; se introduce in otel pentru dezoxidare si ramane in el in cantitate de 0,3-0,8%. Manganul reduce efectele nocive ale oxigenului și sulfului.
Siliciu- impuritate utilă; este introdus în oțel ca dezoxidant activ și rămâne în acesta într-o cantitate de până la 0,4%, oferind un efect de întărire.
Sulf- impuritate nocivă care provoacă fragilitate roșie a oțelului - fragilitate în timpul lucrului la cald prin presiune. În oțel, este sub formă de sulfuri. fragilitatea roșie este asociată cu prezența sulfurilor, care formează un eutectic cu fierul, caracterizat printr-un punct de topire scăzut (988 ° C) și situat de-a lungul limitelor de cereale. În timpul deformării la cald, limitele de cereale se topesc, iar oțelul este casant. Oțelul este protejat de fragilitatea roșie de mangan, care leagă sulful în sulfuri, excluzând formarea unui eutectic cu punct de topire scăzut. Eliminarea fragilității roșii, sulfurile, precum și alte incluziuni nemetalice (oxizi, nitruri etc.), servesc ca concentratoare de tensiuni, reduc ductilitatea și duritatea oțelului. Conținutul de sulf din oțel este strict limitat. Efectul pozitiv al sulfului se manifestă numai în îmbunătățirea prelucrabilității.
Fosfor- impuritate nocivă. Se dizolvă în ferită, o întărește, dar provoacă fragilitate la rece - o scădere a vâscozității pe măsură ce temperatura scade. Efectul puternic de fragilizare al fosforului se exprimă printr-o creștere a pragului de fragilitate la rece. Fiecare 0,01% P crește pragul de fragilitate la rece cu 25 ° C. fragilitatea oțelului cauzată de fosfor este cu atât mai mare, cu atât conține mai mult carbon.
Fosforul este o impuritate extrem de nedorită în oțelurile de structură. dar metode moderne topirea si retopirea nu asigura indepartarea sa completa. Principala modalitate de reducere a acesteia este îmbunătățirea calității încărcării.
Oxigen, azot și hidrogen- impurități ascunse nocive. Influența lor este cea mai pronunțată într-o scădere a ductilității și o creștere a tendinței oțelului la rupere casantă. Oxigenul și azotul se dizolvă în ferită în cantități neglijabile și contaminează oțelul cu incluziuni nemetalice (oxizi, nitruri). Incluziunile de oxigen provoacă fragilitate roșie și rece, reduc rezistența. Conținutul crescut de azot provoacă îmbătrânirea tulpinii.
Hidrogenul este în soluție solidă sau se acumulează în pori și luxații. Friabilitatea datorată hidrogenului se manifestă cu atât mai ascuțită, cu atât rezistența materialului este mai mare și cu atât solubilitatea acestuia în rețeaua cristalină este mai mică.
Impurități accidentale- elemente care intră în oțel din materii prime secundare sau minereuri din zăcăminte individuale. Antimoniul, staniul și o serie de alte metale neferoase ajung în oțel din deșeuri. Oțelul topit din minereurile Ural conține cupru, din minereurile Kerci - arsen. Impuritățile accidentale au în majoritatea cazurilor un efect negativ asupra durității și ductilității oțelului.
Diagrama de stare a aliajelor fier-carbon
Dintre diagramele de stare ale aliajelor metalice, cele mai multe mare importanță are o diagramă de stare a sistemului fier-carbon. Acest lucru se datorează faptului că aliajele fier-carbon sunt cele mai utilizate pe scară largă în tehnologie.
Există două diagrame de stare a aliajelor fier-carbon: metastabilă, care caracterizează transformarea în sistemul fier-carbură de fier (cementită), și stabilă, care caracterizează transformarea în sistemul fier-grafit.
Faptul că sistemul fier-grafit este mai stabil decât sistemul fier-cementit este indicat de faptul că, atunci când este încălzită la temperaturi ridicate, cementita se descompune în fier și grafit, adică trece într-o stare mai stabilă.
MATERIALE DE CONSTRUCȚII, materiale destinate fabricării structurilor (părți de mașini sau mecanisme, dispozitive, structuri, vehicule etc.) care percep sarcini mecanice. Materialele structurale (spre deosebire de alte materiale tehnice - optice, izolante, lubrifiante, vopsele și lacuri, decorative, abrazive etc.) trebuie să aibă o rezistență structurală ridicată, asigurând fiabilitatea și fiabilitatea acestora. muncă îndelungată in conditii de functionare. Principalele criterii pentru calitatea materialelor structurale includ parametrii de rezistență la sarcini externe (statice, ciclice și șoc) - rezistență, rezistență specifică (în special pentru materialele structurale utilizate în aeronave și rachete), rezistență la căldură, anduranță și tenacitate la rupere (material). rezistenta la fisurare). Într-o serie de cazuri, caracteristicile importante ale materialelor structurale sunt, de asemenea, uzura, rezistența termică și la coroziune, sudabilitatea, călibilitatea etc. Proprietățile mecanice ale materialelor structurale sunt influențate (predominant de un mediu de lucru negativ), provocând deteriorarea suprafeței din cauza fisurării coroziunii. sau o modificare a compoziției chimice a stratului de suprafață ca urmare a saturației cu elemente nedorite (de exemplu, hidrogen, care provoacă fragilizarea structurilor metalice). Materialele de construcție sunt utilizate într-o gamă largă de temperaturi - de la -269 la 2500 ° С; pentru a asigura operabilitatea la temperaturi ridicate, materialul trebuie sa aiba rezistenta la caldura, iar la temperaturi scazute, rezistenta la frig. Fabricabilitatea materialelor structurale (prelucrabilitatea lor prin tăiere, presiune, capacitatea de turnare etc.) determină calitatea fabricării pieselor.
Materialele de structură se împart: după natura materialelor - în materiale metalice, nemetalice și compozite, după proiectarea lor tehnologică - în deformate (laminate, forjate, ștanțate, profile extrudate etc.), turnate, sinterizate, formate, lipite. , sudate (prin topire, explozie, îmbinare prin difuzie etc.); în funcție de condițiile de funcționare - pentru cei care lucrează la temperaturi scăzute, rezistente la căldură, la coroziune, la calcar, la uzură, la combustibil, la ulei etc.; conform criteriilor de rezistență - pentru materiale de rezistență scăzută și medie cu o marjă mare de plasticitate și materiale de înaltă rezistență cu o marjă de plasticitate moderată.
Oțelul de structură și fonta sunt cele mai utilizate materiale de construcție metalice. Oțelurile de structură se caracterizează printr-o gamă largă de rezistență finală - 200-3000 MPa; folosit în construcții, auto, avioane, tractoare, construcții navale etc. Rezistența la tracțiune a fontei, în funcție de aliaj, variază de la 110 MPa (fontă) la 1350 MPa (fontă aliată cu magneziu). Fonta este utilizată pe scară largă în inginerie mecanică pentru fabricarea de paturi, arbori cotiți, roți dințate, cilindri ai motoarelor cu ardere internă, piese care funcționează la temperaturi de până la 1200 ° C într-un mediu oxidant etc. Aliajele pe bază de metale neferoase sunt, de asemenea, utilizat pe scară largă în diverse domenii ale tehnologiei. Aliajele de nichel și aliajele de cobalt își păstrează rezistența și rezistența la căldură până la 1000-1100 ° C, aliajele intermetalice pe bază de compus Ni 3 Al - până la 1200 ° C; sunt utilizate în motoare de avioane și rachete, turbine cu abur și gaz, dispozitive care funcționează în medii corozive etc. Aliajele de aluminiu din punct de vedere al rigidității specifice depășesc semnificativ oțelul, rezistența finală a aliajelor forjate este de până la 750 MPa, aliajele de turnătorie - până la 550 MPa; servesc la fabricarea de carene pentru avioane, elicoptere, rachete, nave etc. Aliajele de magneziu se caracterizează prin densitate scăzută (de 4 ori mai mică decât cea a oțelului), au o rezistență la tracțiune de până la 400 MPa și mai mare; sunt utilizate în principal sub formă piese turnateîn structurile aeronautice, în industria auto, în industria tipografică etc. Aliajele de titan (rezistență finală de până la 1600 MPa și mai mult) depășesc aliajele de oțel și aluminiu în rezistență specifică, rezistență la coroziune și rigiditate; servesc la fabricarea de compresoare pentru motoare de aeronave, aparate pentru rafinarea petrolului și industria chimică etc. Aliaje de zirconiu, împreună cu mici secțiune transversală absorbția neutronilor termici, au rezistență, ductilitate și rezistență la coroziune în medii corozive; utilizat în energie nucleară pentru elementele structurale ale miezului reactorului centralelor nucleare. Îmbunătățirea proprietăților de performanță ale materialelor structurale metalice obținute prin metode tradiționale este asociată cu utilizarea pulberilor metalice aliate și nanocristaline.
Materialele nemetalice de construcție includ materiale polimerice, ceramică, refractare, sticlă, cauciuc, lemn. Materialele termoplastice (polistiren, polimetilmetacrilat, poliamide, fluoroplastice), precum și termorezistente sunt utilizate în părți ale echipamentelor electrice și radio, unități de frecare care funcționează în diverse medii, inclusiv chimic activ: combustibili, uleiuri etc. Sticla (silicat, cuarț, organic) iar triplexurile bazate pe acestea sunt folosite pentru vitrarea navelor, aeronavelor, rachetelor; materialele ceramice sunt folosite pentru realizarea pieselor care lucrează la temperaturi ridicate. Materialele refractare sunt utilizate în principal în metalurgia feroasă și neferoasă la fabricarea căptușelilor refractare în unități care funcționează la temperaturi ridicate (mai mult de 900 ° C). Cauciucurile pe bază de diverse cauciucuri, întărite cu țesături de snur, sunt utilizate pentru producerea de anvelope sau roți monolitice pentru avioane și autoturisme, precum și diverse garnituri mobile și fixe. Lemnul este folosit ca traverse, căptușeală pentru industria cărbunelui și minier, pentru producția de structuri de construcții, case etc.
Materialele structurale compozite din punct de vedere al rezistenței specifice și al modulului specific de elasticitate sunt cu 50-100% superioare celor din oțel sau aliaje de aluminiu și asigură o reducere a masei structurilor cu 20-50%. Materialele structurale compozite (materiale plastice armate cu fibră de carbon, organoplastice, organotexoliți, materiale plastice armate cu sticlă aluminoasă etc.) sunt utilizate pe scară largă în construcția de avioane, rachete, în ingineria energetică, ingineria transporturilor etc.
Producția de noi materiale structurale cu proprietăți îmbunătățite (în comparație cu materialele structurale tradiționale) este asociată cu sinteza materialelor cu structură submicroscopică din elemente cu valori limită ale proprietăților (extrem de rezistente, refractare, termostabile), precum și cu utilizarea metode speciale fabricație (creșterea semnificativă a rezistenței și durabilității materialelor). De exemplu, pentru materialele de structură metalice, cristalizarea direcțională a oțelurilor și aliajelor este utilizată pentru a obține piese turnate cu structură granulară columnară, piese monocristaline din aliaje de nichel cu o anumită orientare cristalografică în raport cu tensiunile care acționează (pale turbinei cu gaz); pentru materialele structurale nemetalice se folosesc metode de orientare a macromoleculelor liniare ale materialelor polimerice, modificarea cu nanoparticule (fulerene, nanotuburi, nanofibre) și crearea de nanocompozite polimerice.
Lit.: Inginerie mecanică: Enciclopedie. M., 2001. T. 2/3: Metale şi aliaje neferoase. Compozițional materiale metalice/ Ed.-comp. I. N. Fridlyander; Bolton W. Materiale structurale: metale, aliaje, polimeri, ceramica, compozite. a 2-a ed. M., 2007.