Aplicarea materialelor de construcție. Proprietăți și clasificare a materialelor structurale

MATERIALE STRUCTURALE, materiale destinate fabricării structurilor (părți de mașini sau mecanisme, instrumente, structuri, vehicule etc.) care percep sarcini mecanice. Materialele structurale (spre deosebire de alte materiale tehnice - optice, izolante, lubrifiante, vopsea, decorative, abrazive etc.) trebuie sa aiba o rezistenta structurala ridicata, asigurand functionarea lor fiabila si de lunga durata in conditii de functionare. Principalele criterii pentru calitatea materialelor structurale includ parametrii de rezistență la sarcini externe (statice, ciclice și la impact) - rezistență, rezistență specifică (în special pentru materialele structurale utilizate în fabricarea avioanelor și rachetelor), rezistență la căldură, anduranță și tenacitate la rupere (rezistență). a materialului la fisurare). În unele cazuri, caracteristicile importante ale materialelor structurale sunt, de asemenea, uzura, rezistența termică și la coroziune, sudabilitatea, călibilitatea etc. Proprietățile mecanice ale materialelor structurale sunt afectate (în cea mai mare parte negative) de mediul de lucru, provocând deteriorarea suprafeței din cauza fisurării coroziunii sau a unui modificarea compoziției chimice a stratului de suprafață.ca urmare a saturației cu elemente nedorite (de exemplu, hidrogen, care provoacă fragilizarea structurilor metalice). Materialele structurale sunt utilizate într-un interval larg de temperatură - de la -269 la 2500 °C; Pentru a asigura performanta 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 structurale se împart: în funcție de natura materialelor - în metalice, nemetalice și materiale compozite, conform versiunii tehnologice - pentru deformate (produse laminate, forjate, matritate, profile extrudate etc.), turnate, sinterizate, turnate, lipite, sudate (prin topire, explozie, matisare prin difuzie etc.); în funcție de condițiile de funcționare - pentru cei care funcționează 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 răspândite dintre materialele structurale metalice. Oțelurile de structură se caracterizează printr-o gamă largă de rezistență la tracțiune - 200-3000 MPa; sunt utilizate 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 cadrelor, arborilor cotiți, angrenajelor, cilindrilor motoarelor cu ardere internă, pieselor care funcționează la temperaturi de până la 1200 ° C într-un mediu oxidant etc. Aliajele pe bază de metale neferoase sunt, de asemenea, pe scară largă. utilizate în diverse domenii ale tehnologiei. Aliajele de nichel și aliajele de cobalt 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 agresive etc. Aliajele de aluminiu sunt semnificativ superioare ca rigiditate specifică față de oțel, rezistența la rupere a aliajelor forjate este de până la 750 MPa, turnătorie - până la 550 MPa; sunt utilizate pentru fabricarea de corpuri de aeronave, elicoptere, rachete, nave etc. Aliajele de magneziu se disting prin densitate scăzută (de 4 ori mai mică decât cea a oțelului), au o rezistență la tracțiune de până la 400 MPa și mai mult; sunt utilizate în principal sub formă de piese turnate în structurile de aeronave, în industria auto, în industria tipografică etc. Aliajele de titan (rezistență la tracțiune de până la 1600 MPa și mai mult) sunt superioare aliajelor de oțel și aluminiu în rezistență specifică, coroziune. rezistență și rigiditate; sunt utilizate pentru fabricarea de compresoare pentru motoare de aeronave, aparate pentru rafinarea petrolului și industria chimică etc. Aliajele de zirconiu, împreună cu o secțiune transversală mică de absorbție termică a neutronilor, au rezistență, ductilitate și rezistență la coroziune în medii agresive; sunt utilizate în industria nucleară pentru elementele structurale ale miezului reactoarelor centralelor nucleare. O creștere a proprietăților de performanță ale materialelor structurale metalice obținute prin metode tradiționale este asociată cu utilizarea pulberilor metalice aliate și nanocristaline.

Materialele structurale nemetalice includ materiale polimerice, ceramică, refractare, sticlă, cauciuc și lemn. Materialele termoplastice (polistiren, polimetilmetacrilat, poliamide, fluoroplastice), precum și termoplasticele, sunt utilizate în părți ale echipamentelor electrice și radio, unități de frecare care funcționează în diverse medii, inclusiv în cele chimic active: combustibili, uleiuri etc. Sticla (silicat, cuarț). , organic ) și triplexurile pe bază de acestea sunt folosite pentru vitrarea navelor, aeronavelor, rachetelor; materialele ceramice sunt folosite la fabricarea pieselor care funcționează 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 (peste 900 °C). Cauciucurile pe bază de diverse cauciucuri, întărite cu țesături de snur, sunt utilizate pentru producerea de anvelope sau roți monolitice de avioane și automobile, precum și diferite garnituri mobile și fixe. Lemnul este folosit ca traverse, suport pentru industria cărbunelui și minier, pentru producție structuri de constructii, 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 de carbon, organoplastice, organotextoliți, materiale plastice aluminiu-sticlă etc.) sunt utilizate pe scară largă în construcția de avioane, rachete, în inginerie energetică, inginerie de transport și altele.

Obținerea de noi materiale structurale cu proprietăți îmbunătățite (comparativ cu materialele structurale tradiționale) este asociată cu sinteza materialelor cu structură submicroscopică din elemente cu proprietăți limitative (rezistență finală, 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 se folosește 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 materiale polimerice, modificarea cu nanoparticule (fulerene, nanotuburi, nanofibre), crearea de nanocompozite polimerice.

Lit.: Inginerie mecanică: Enciclopedie. M., 2001. T. 2/3: Metale şi aliaje neferoase. Materiale metalice compozite / Ed.-sost. I. N. Fridlyander; Bolton U. Materiale structurale: metale, aliaje, polimeri, ceramica, compozite. a 2-a ed. M., 2007.

Materiale structurale, materiale din care sunt realizate părți ale structurilor (mașini și structuri) care percep o sarcină de putere. Parametrii definitori ai materialelor structurale sunt proprietățile mecanice, ceea ce le deosebește de alte materiale tehnice (optice, izolante, lubrifiante, vopsea, decorative, abrazive etc.). Datorită faptului că detaliile mecanismelor moderne funcționează sub sarcini alternative complexe, temperaturi ridicate etc., principalele criterii pentru calitatea materialelor structurale includ parametrii de rezistență la sarcini externe: rezistență, vâscozitate, fiabilitate, durată de viață. Principalele materiale structurale sunt aliajele metalice pe baza de fier (fonta si otel), cupru (bronz si alama), plumb si cositor.

Aliaje pe bază de fier. Fontă. Deveni. Clasificarea otelurilor, claselor de otel. Aplicare în dispozitive mecanice (arbori, roți dințate, elemente de fixare).

fontă

Acestea sunt aliaje fier-carbon care conțin impurități constante de mangan, siliciu, fosfor și sulf, precum și, dacă este necesar, elemente de aliere.

În funcție de structura și starea în care se află carbonul (liber sau legat chimic), se disting fontele cenușii, albe și maleabile. Fontele se clasifică și în funcție de scop - în structurale și cu proprietăți deosebite; iar din compoziţia chimică – în aliate şi nealiate.

Ca material structural, fontele cenușii sunt cele mai utilizate pe scară largă, în care tot carbonul este în stare liberă sub formă de incluziuni de grafit lamelar. Au rezistență medie, turnare bună și alte proprietăți tehnologice (fluiditate, contracție liniară scăzută, prelucrabilitate), sunt insensibile la concentrarea tensiunilor alternative și sunt antifricțiune.

În fontele albe, excesul de carbon care nu s-a dizolvat într-o soluție solidă de fier este prezent sub formă de carburi de fier. Datorită proprietăților mecanice scăzute - fragilitate și duritate ridicate, prelucrabilitate slabă - fontele albe nu sunt folosite ca materiale structurale.

Fonta ductilă se obține din alb prin recoacere ulterioară până când grafitul se descompune sub formă de fulgi. Detaliile din acesta pot fi supuse unor deformări minore. Sunt mai puțin casante decât piesele din fontă gri, dar costă cu 30 ... 100% mai mult.

Fonta ductilă se caracterizează printr-o formă sferică sau apropiată de incluziuni de grafit, care se obține prin modificarea fierului lichid cu aditivi de magneziu. Grafitul nodular slăbește în cea mai mică măsură baza metalică, ceea ce duce la proprietăți mecanice ridicate. Fonta ductilă are proprietăți bune de turnare și de serviciu.

Deveni

Oțelurile sunt aliaje de fier forjat cu carbon și alte elemente.

După compoziția chimică oțelurile sunt împărțite în oțeluri carbon și aliate.

Cu programare oțelurile sunt împărțite în structurale, instrumente și cu proprietăți speciale. Cel mai

Prin calitate oțelurile sunt împărțite în oțelurile obișnuite, de înaltă calitate, de înaltă calitate și de foarte înaltă calitate.

Prin natura înghețului din stare lichidă gradul de dezoxidare distingeți oțelul calm, semicalm și fierbinte.

Timbre oțelul carbon de calitate obișnuită sunt indicate prin litere
St (otel) si numere de la 0 inainte de 6 , De exemplu St0 – St6. Numerele corespund numărului condiționat de marcă, în funcție de compoziția chimică și de proprietățile mecanice. Cu cât numărul este mai mare, cu atât este mai mare conținutul de carbon din oțel, cu atât rezistența este mai mare și ductilitatea este mai mică. Aceste oțeluri sunt împărțite în trei grupe - A, Bși V. Grup de oțel A are proprietăți mecanice garantate și nu este supus tratamentului termic, grupa A nu este indicată în clasa de oțel. Pentru bandă de oțel B Compoziție chimică garantată, pentru grupul de oțel V– compoziţia chimică şi proprietăţile mecanice.

Gradul de dezoxidare indicat prin indici în dreapta numărului mărcii: kp- fierbere ps-semi calm cn- calm. De exemplu, otel St2kp– oțel de grup A, fierbe; Bst3ps– oțel de grup B, semicalm; VSt5sp– oțel de grup V, calm.

Oteluri de calitate carbon etichetat cu două cifre (08, 10, 15, …, 70) , care arată conținutul mediu de carbon din oțel în sutimi de procent. Aceste oțeluri pot fi împărțite condiționat în mai multe grupuri. Deveni 08, 10 au plasticitate mare, bine ștanțate și sudate. Oțeluri cu conținut scăzut de carbon 15, 20, 25 sunt bine sudate si prelucrate prin taiere, dupa cementare si tratament termic au rezistenta sporita la uzura.

Oțeluri de scule carbon marcat cu o literă Lași numere care corespund conținutului de carbon în zecimi de procent, de exemplu, calitatea oțelului U9 conține în medie 0,9% carbon.

Marcați oțelurile aliate litere și cifre care indică compoziția sa chimică. Primele cifre ale claselor înainte de litere indică conținutul de carbon pentru oțelurile de structură în sutimi de procent (două cifre), iar pentru oțelurile de scule și speciale - în zecimi. Mai mult, denumirea constă din litere care indică elementele de aliere care fac parte din oțel și numere imediat după fiecare literă care caracterizează conținutul mediu al elementului de aliere în procente. Numerele din spatele literei nu se pun atunci când conținutul elementului de aliere este mai mic de 1,5%. Elementele de aliere sunt desemnate prin următoarele litere: T- titan, CU- siliciu, G- mangan, X- crom H– nichel, M- molibden, V- wolfram etc. De exemplu, oțel inoxidabil Х18Н10Т conține 18% crom, 10% nichel și până la 1,5% titan; oțel aliat structural 30HGS conține 0,30% carbon, iar crom, mangan și siliciu până la 1,5% fiecare; oțel aliat pentru scule 9XC conține 0,9% carbon, iar crom și siliciu până la 1,5% fiecare. in oteluri 30HGSși 9XC mai mult de 0,8% siliciu, mangan în oțel 30HGS mai mult de 1%.

Unele desemnări speciale ale oțelului includ o literă în față care indică scopul oțelului. De exemplu, o scrisoare W– oțel pentru rulmenți cu bile ( ShKh15– cu un conținut de crom de ≈ 1,5%), E– inginerie electrică etc.

Cel mai adesea, următoarele oțeluri carbon și aliaje sunt utilizate ca materiale pentru arbori și osii: oțeluri de înaltă calitate 40, 45, 50 , oțel 40X– pentru arbori cu tratament termic; deveni 20, 20X- pentru arbori de mare viteză pe lagăre de alunecare cu cementarea la suprafață a bolțurilor; oțeluri carbon de calitate obișnuită St4, St5- pentru arbori necritici fără tratament termic; oţel Х18Н10Т– pentru arbori nemagnetici, rezistenti la coroziune.

În fabricarea roților cilindrice și conice, oțelurile tratate termic sunt materialul principal. Pentru viteze dentare periferice de pana la 3 m/s utilizați oțel de înaltă calitate 20, 30, 35 , iar la viteze circumferențiale mai mari - oțel 45, 50 , oteluri pentru scule U8A, U10Ași oțeluri aliate 20H, 40H, 40HN, 30HGSA, 12HN3A cu tratament termic corespunzător (normalizare, călire, ameliorare - călire cu revenire ridicată). Se recomandă să alegeți duritatea dinților roții (sunt mai încărcați) cu (20 ... 50) HB mai mult decât duritatea dinților roții. Prin urmare, ei încearcă să ia materialul angrenajului mai durabil decât materialul pentru roți.

Șuruburile, șuruburile, piulițele sunt fabricate din oțel carbon și aliaj. Elemente de fixare uz general sunt de obicei realizate din clase de oțel St3, St4, St5 fără tratament termic ulterior. Piesele mai critice sunt fabricate din oțel 35, 45, 40X, 40XH cu tratament termic de suprafață sau general. Șuruburile mici sunt fabricate din alamă LS59-1, duraluminiu D1, D16. Pentru a proteja suprafața elementelor de fixare de coroziune, pentru a le da culoarea dorită, se utilizează zincarea, cromarea, placarea cu cadmiu. Știfturile sunt fabricate din oțel 45, A12, U8. Cheile sunt fabricate din oțel cu carbon mediu 40, 45, St6.

Aliaje pe bază de cupru și aluminiu. Clasificare, desemnare, avantaje și dezavantaje. Utilizarea aliajelor ca materiale structurale în dispozitivele mecanice (elemente elastice, suporturi).

Cuprul și aliajele sale

Cuprul în forma sa pură se caracterizează prin conductivitate electrică și termică ridicată, lucrabilitate bună la presiune, rezistență scăzută și este utilizat pentru fabricarea pieselor conductoare. Mai mult aplicare largă a primit aliaje de cupru: alamă și bronz. În alamă, principalul element de aliere este zincul, în bronz - alte elemente.

Elementele de aliere din clasele aliajelor de cupru sunt notate cu următoarele litere: A– aluminiu, H– nichel, O- staniu, C-zinc, CU- conduce, F- fier, Mts- mangan, LA- siliciu, F- fosfor, T- titan.

Alamăîmpărțit în aliaje binare și multicomponente. La dublu, conținutul de zinc poate ajunge până la 50%. Mărcile de astfel de alamă sunt notate prin literă Lși o cifră care arată procentul de cupru, de exemplu L59. Pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice, tehnologice și de coroziune, pe lângă zinc, în alamă se introduc în cantități mici diverse elemente de aliere (aluminiu, siliciu, mangan, staniu, fier, plumb). În clasele de alamă multicomponentă, primele cifre indică conținutul mediu de cupru, iar cele ulterioare indică elementele de aliere. De exemplu, alamă LKS80-3-3 conține 80% cupru, 3% siliciu și plumb, iar restul este zinc.

Mărcile de bronz și, respectiv, de aliaje de cupru-nichel încep cu literele Brși M, iar următoarele litere și cifre indică prezența elementelor de aliere și, în consecință, procentul acestora. De exemplu, bronzul BrOCS 5-5-5 conține staniu, zinc și plumb 5% fiecare sau cuprunicil din aliaj de cupru-nichel MH19 conține 19% nichel.

Bronzurile sunt denumite după principalele elemente de aliere: staniu, aluminiu, beriliu, siliciu etc. Bronzurile de staniu sunt utilizate pe scară largă, sunt caracterizate rezistență ridicatăîmpotriva abraziunii, frecare de alunecare redusă. Toate aliajele de cupru au o rezistență bună la coroziunea atmosferică.

Alama și bronzul sunt folosite ca materiale structurale. În special, alama L63, care se caracterizează printr-o ductilitate ridicată, este utilizată pentru fabricarea de piese conductoare și structurale, cum ar fi urechi, bucșe, șaibe și alamă. LK80-3L- pentru fabricarea pieselor turnate. Bronzuri fără cositor BrAZh9-4, BRAMts9-2 au proprietăți mecanice și antifricțiune ridicate, sunt bine prelucrate, de aceea sunt utilizate la fabricarea roților mici angrenate și melcate, bucșe cu lagăre, piulițe de rulare în mecanisme cu șurub. Bronzurile de staniu au cele mai bune proprietăți antifricțiune.

Datorită rezistenței și elasticității sale ridicate, bronzul de beriliu al mărcii ocupă un loc special în fabricarea elementelor elastice. BrB2. Este amagnetic, rezistent la inghet, apa dulce si sarata, bine sudat si prelucrat. Este utilizat pentru fabricarea pieselor critice, cum ar fi contacte cu arc purtătoare de curent, arcuri, membrane.

Rezistența aliajelor de cupru, în special a alamei, este mai mică decât cea a oțelurilor, iar rezistența la coroziune este mult mai mare. Toate alamele și majoritatea bronzurilor, cu excepția aluminiului, se lipesc bine.

Materialul bucșei trebuie să fie rezistent la uzură, să ruleze bine și să aibă un coeficient de frecare minim asociat cu materialul trunion. Pentru toroane din oțel sunt îndeplinite aceste condiții: la presiuni mariși viteze circumferențiale mici - bronz BrAZh9-4și alamă LS59-1; la presiuni si viteze mari – bronz BrOF10-1și BrOTsS-5-5-5.

Arcurile de contact și cuplu antimagnetice, rezistente la coroziune sunt fabricate din fosfor BrOF 6-0,15, BrOF 4-0,2și beriliu BrB2 bronz

Arcurile manometrice tubulare, burdufurile, diafragmele și cutiile cu diafragme sunt realizate din alamă L62, L68, L80, bronz BrOF4–0,2.

Benzile de bronz sunt folosite ca material pentru arcuri elicoidale. BrOF 6,5-0,15.

Membranele metalice sunt realizate din bronz fosfor și beriliu.

Burdufurile sunt realizate fără sudură sau lipite din alamă L80, bronzuri de beriliu BrB2, BrB2.5.

Realizate arcuri tubulare din alamă L80 sau bronz.

Aluminiu și aliajele sale

Aluminiul pur este rar folosit, deoarece are o rezistență scăzută. Cel mai adesea, aliajele pe bază de aluminiu sunt folosite la fabricarea pieselor. Au densitate scăzută, conductivitate electrică și termică ridicată, rezistență la coroziune și rezistență specifică. Aliajele de aluminiu, în funcție de proprietățile tehnologice, se împart în forjat și turnat.

Cele mai răspândite dintre aliajele forjate sunt întărite termic prin călire și îmbătrânire aliaje aluminiu-cupru-magneziu și aluminiu-magneziu. Primele se numesc duralumini (mărci D1, D16), al doilea cel mai frecvent utilizat brand de aliaj AMg6. Au proprietăți mecanice ridicate, sunt produse sub formă de bare, table, țevi, profile profilate. Sunt utilizate pentru piese cu încărcare medie, cum ar fi rafturi, capace, bucșe etc. Aliajul de înaltă rezistență aluminiu-magneziu-zinc aparține deformabilului B95, care este utilizat pentru piese cu sarcini statice crescute (arbori, angrenaje).

Deformabile sunt așa-numitele aliaje de aluminiu sinterizat, care se caracterizează prin proprietăți de rezistență foarte ridicate (modul de elasticitate, rezistență la tracțiune σ ut și limita de curgere σ y). Sunt de două feluri: GLANDERS(pulbere de aluminiu sinterizat) și CAC(aliaj de aluminiu sinterizat). GLANDERSîntărit de particule dispersate de oxid de aluminiu Al 2 O 3 formate în procesul de măcinare a pulberii de aluminiu într-o atmosferă de azot cu aport controlat de oxigen. Pulberea este brichetată, sinterizată și supusă deformării - presare, laminare, forjare. În funcție de conținutul de Al 2 O 3 (rezistența aliajului crește odată cu creșterea oxidului de aluminiu la 20 - 22%), se disting 4 grade SAP (SAP-1, SAP-2, SAP-3și SAP-4). Aliaje CAC conțin până la 25% siliciu și 5% fier. Se obțin prin pulverizarea unui aliaj lichid, brichetarea granulelor rezultate și deformarea ulterioară. Aliajele de aluminiu sinterizat sunt folosite pentru fabricarea pieselor foarte solicitate (corpii bloc, cadre, rafturi etc.) si diverse profile.

Dintre aliajele de aluminiu turnat, aliajele de aluminiu-siliciu - silumini - sunt cele mai utilizate. Au bun turnare și proprietăți mecanice medii. Ștampile de silumin AL-2, AL-4, AL-9 sunt utilizate pentru turnarea carcasei, capacelor, consolelor și a altor piese complexe cu încărcare medie.

Aluminiul și aliajele sale sunt greu de lipit.

1.

2. Materiale sursă și metode de producere a aluminiului.

3. Proprietăți și utilizări ale lemnului.

4.

1. Clasificarea proprietăților materialelor structurale. Proprietăți operaționale, indicatorii acestora.

Materialele structurale se numesc materiale din care sunt realizate părți ale structurilor (mașini și structuri) care percep o sarcină de putere. Parametrii definitori ai materialelor structurale sunt proprietățile mecanice, ceea ce le deosebește de alte materiale tehnice (optice, izolante, lubrifiante, vopsea, decorative, abrazive etc.). Principalele criterii pentru calitatea materialelor structurale includ parametrii de rezistență la sarcini externe: rezistență, tenacitate, fiabilitate, durată de viață etc.

Materialele structurale sunt subdivizate (Fig. 1): în funcție de natura materialelor - în materiale metalice, nemetalice și compozite, combinând proprietățile pozitive ale acestora și ale altor materiale; conform proiectării tehnologice - deformate (produse laminate, forjate, matrițe, profile extrudate etc.), turnate, sinterizate, turnate, 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.; conform criteriilor de rezistență - pentru materiale de rezistență scăzută și medie cu o marjă mare de plasticitate, materiale de înaltă rezistență cu o marjă moderată de plasticitate.

Dezvoltarea tehnologiei impune cerințe noi, mai mari asupra materialelor structurale existente și stimulează crearea de noi materiale. Pentru a reduce masa structurilor aeronavelor, de exemplu, se folosesc 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 structurale care combină rezistența structurală cu proprietăți electrice ridicate, de protecție termică, optice și alte proprietăți.

Orez. 1. Schema de clasificare a materialelor structurale

Atunci când aleg un material pentru un anumit produs sau design, acestea iau în considerare fezabilitatea economică a utilizării acestuia (corespondența dintre preț și calitate), păstrarea criteriilor structurale (durabilitate necesară, rezistență, fiabilitate) și posibilitatea procesării într-un produs. (criterii tehnologice – prelucrabilitate, sudabilitate, maleabilitate etc.). . P.). Ținând cont de aceste criterii, se alege un material de o natură sau alta.

materiale metalice. Acestea includ metale și aliaje pe baza acestora. Ei, la rândul lor, sunt împărțiți în mai multe grupuri care diferă unele de altele în proprietăți:

1. Metale feroase. Acestea sunt fier și aliaje pe bază de acesta - oțeluri și fonte;

2. Metale neferoase. Această grupă include metale și aliajele acestora, cum ar fi cuprul, aluminiul, titanul, nichelul etc.;

3. Metale nobile. Acestea includ aur, argint, platină; 4. Metale pământuri rare. Acestea sunt lantan, neodim, praseodim.

materiale nemetalice. De asemenea, sunt împărțiți în mai multe grupuri:

1. Materiale plastice. Acestea sunt materiale pe bază de compuși macromoleculari - polimeri, în principal cu umpluturi;

2. Materiale ceramice (ceramica). Se bazează pe pulberi de compuși refractari precum carburi, boruri, nitruri și oxizi. De exemplu: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 etc.;

3. Materiale metalo-ceramice (cermet). În aceste materiale, baza este ceramica, la care se adaugă o anumită cantitate de metal, care este un liant și oferă proprietăți precum ductilitate și tenacitate;

4. Sticla. Este un sistem de oxizi diverse elemente, în principal oxid de siliciu SiO2;

5. Cauciuc. Acestea sunt materiale pe bază de cauciuc - un polimer hidrogen-carbon cu adaos de sulf și alte elemente;

6. Arborele. Țesutul organic complex al plantelor lemnoase.

Materiale compozite. Sunt materiale obținute artificial din două sau mai multe diverse materiale, care sunt foarte diferite unele de altele în proprietăți. Ca urmare, compoziția în proprietățile sale diferă semnificativ de proprietățile componentelor constitutive, adică materialul rezultat are un nou set de proprietăți. Compoziția materialelor compozite poate include atât componente metalice, cât și nemetalice.

Clasificarea proprietăților materialelor structurale

1. Proprietăți mecanice caracterizată prin capacitatea materialului de a rezista la deformare și prăbușire sub influența factorilor externi de influență.

· Putere - aceasta este capacitatea unui material de a rezista la distrugere și de a se deforma plastic sub influența sarcinilor externe;

· Duritate este capacitatea materialelor de a rezista la deformarea stratului de suprafață sub impact local, de contact și de forță;

· Elasticitate - aceasta este capacitatea unui material 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 - aceasta este capacitatea materialului de a se prăbuși sub acțiunea forțelor externe, imediat după deformarea elastică.

2. Proprietăți fizice caracterizează suprafața materialului în câmpuri termice, gravitaționale, electromagnetice și radioactive.

· Ușoară - aceasta este capacitatea unui material de a reflecta razele de lumină cu o anumită lungime de undă a luminii;

· Densitate este masa pe unitatea de volum a substanței;

· Temperatură de topire - este temperatura la care o substanță trece de la o fază solidă la una lichidă;

· Conductivitate electrică - aceasta este capacitatea materialului de a conduce bine și fără pierderi electricitate;

· Conductivitate termică este capacitatea unui material de a transporta energie termală dintr-o zonă mai fierbinte la una mai puțin încălzită;

· Capacitatea termica - este capacitatea unui material de a absorbi o anumită cantitate de căldură;

· Proprietăți magnetice - capacitatea materialului de a fi bine magnetizat;

· Coeficientul de dilatare volumetrică și liniară - caracterizează modificarea dimensiunii corpului cu o schimbare a temperaturii.

3. Proprietăți tehnologice caracterizat prin capacitatea materialului de a suferi diferite tipuri de prelucrare la cald și la rece.

Proprietăți de turnare; Include fluiditate - capacitatea metalelor și aliajelor de a curge prin canalele matriței și de a o umple. Ocupare - caracterizeaza capacitatea metalelor si aliajelor de a reproduce conturul pieselor turnate in sectiuni deosebit de subtiri, unde se manifesta in mare masura actiunea fortelor capilare. Contracție volumetrică - caracterizează modificarea volumului metalului cu scăderea temperaturii în stare lichidă, în procesul de solidificare și răcire metal solid. Contracție liniară - reflectă modificarea dimensiunilor liniare ale turnării după formarea unui schelet cristalin rigid pe suprafața acesteia și răcirea la temperatura camerei.

· Ductilitate (important în tratamentul sub presiune) este capacitatea metalelor și aliajelor de a suferi forjare și alte tipuri de tratamente sub presiune (laminare, trefilare, presare, ștanțare);

· Sudabilitate (acesta este un indicator al cât de mult poate prezenta materialul îmbinări sudate);

· Prelucrare;

· Întărire;

· Întărire.

4. proprietăți operaționale, caracterizează capacitatea materialelor de a asigura funcționarea fiabilă și durabilă a produselor în condiții și funcționare specifice, pe baza proprietăților mecanice, fizice și chimice.
proprietăți operaționale. Aceste proprietăți sunt determinate în funcție de condițiile de funcționare ale mașinii prin teste speciale. Una dintre cele mai importante proprietăți operaționale este rezistența la uzură, rezistența la frig, rezistența la căldură, antifricțiune etc.

Rezistența la uzură - proprietatea unui material de a rezista la uzură, adică o schimbare treptată a dimensiunii și formei corpului datorită distrugerii stratului de suprafață al produsului în timpul frecării. Testarea de uzură a metalelor se efectuează pe eșantioane în condiții de laborator, iar piesele - în funcționare reală. La testarea probelor, sunt simulate condiții de frecare care sunt apropiate de cele reale. Se determină cantitatea de uzură a probelor sau a pieselor căi diferite: măsurarea dimensiunilor, cântărirea probelor și alte metode.

Rezistență la frig - capacitatea materialelor, elementelor, structurilor și compușilor acestora de a rezista ruperii fragile la temperaturi ambientale scăzute.

Rezistența la căldură este capacitatea unui metal de a rezista la deformarea plastică și la rupere la temperaturi ridicate. Materialele termorezistente sunt folosite pentru fabricarea pieselor care funcționează la temperaturi ridicate, când are loc fenomenul de fluaj. Criteriile de evaluare a rezistenței la căldură sunt rezistența pe termen scurt și pe termen lung, fluaj.

Anti-fricțiunea este capacitatea unui material de a oferi un coeficient scăzut de frecare de alunecare și astfel pierderi reduse prin frecare și o rată scăzută de uzură a piesei de împerechere.

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 degradarea chimică a suprafeței de către aer sau altă atmosferă oxidantă la temperaturi ridicate);

· Rezistență la coroziune (capacitatea materiale metalice 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 fi oxidate prin interacțiune chimică cu mediu inconjurator sau altă chestiune).

2. Materiale sursă și metode de producere a aluminiului.

Aluminiul este unul dintre cele mai importante metale, iar cantitatea producției sale depășește cu mult producția tuturor celorlalte metale neferoase și este a doua după producția de oțel. Popularitatea ridicată a aluminiului se datorează proprietăților sale fizice și chimice unice, datorită cărora a găsit o largă aplicație în inginerie electrică, inginerie aeronautică și auto, transport, aparate de uz casnic, construcții, ambalaje. Produse alimentare etc.

Recent, ingineria mecanică necesită din ce în ce mai mult metale ușoare, în special în industria aeronautică, știința rachetelor, industria nucleară și transportul feroviar. Prin urmare, dezvoltarea unor metode noi și mai economice de obținere a aluminiului și îmbunătățirea metodelor existente este de mare importanță.

Electroliza topiturii criolit-alumină este principala metodă de obținere a aluminiului, deși unele aliaje de aluminiu sunt obținute prin metoda electrotermală.

Primele electrolizoare industriale au fost pentru curenți de până la 0,6 kA și în următorii 100 de ani au crescut la 300 kA. Cu toate acestea, acest lucru nu a adus schimbări semnificative la elementele de bază ale procesului de fabricație.

Schema generală a producției de aluminiu este prezentată în fig. 2. Unitatea principală este electrolizorul. Electrolitul este o topitură de criolit cu un ușor exces de fluorură de aluminiu, în care se dizolvă alumina. Procesul este realizat la concentrații variabile de alumină de la aproximativ 1 până la 8% (greutate). De sus, un anod de carbon este coborât în ​​baie, parțial scufundat în electrolit. Există două tipuri principale de anozi de sacrificiu: autocoapți și precoapți. Primii folosesc căldura de electroliză pentru prăjirea masei anodului, care constă dintr-un amestec de cocs de umplutură și un liant, smoală. Anozii copți sunt un amestec precopt de cocs și liant de smoală.

Orez. 2 Schema producției de aluminiu din alumină.

Aluminiul topit la temperatura de electroliză (950 - 960°C) este mai greu decât electrolitul și se află pe partea inferioară a electrolizorului. Topiturile de criolit-alumină sunt foarte agresive, care pot fi rezistate de materiale carbonice și unele noi. Dintre acestea, este realizată căptușeala interioară a electrolizatorului.

Pentru a converti curentul alternativ în curent continuu, fabricile moderne folosesc redresoare cu semiconductori cu o tensiune de 850V și un raport de conversie de 98,5%, instalate într-o substație de conversie cu siliciu (CPS). Un redresor oferă un curent de până la 63 kA. Numărul de astfel de unități depinde de puterea curentului necesară, deoarece toate sunt conectate în paralel.

Procesul care are loc în electrolizor constă în descompunerea electrolitică a aluminei dizolvate în electrolit. Aluminiul este eliberat pe un catod de aluminiu lichid, care este turnat periodic folosind o oală cu vid și trimis la departamentul de turnătorie pentru turnare sau un mixer, unde, în funcție de scopul ulterioar al metalului, aliaje cu siliciu, magneziu, mangan, cupru. sunt pregătite sau se efectuează rafinarea. La anod, carbonul este oxidat de oxigenul eliberat. Gazul anod de evacuare este un amestec de CO2 și CO.

Electrolizoarele sunt de obicei echipate cu adăposturi care elimină gazele de eșapament și un sistem de curățare. Acest lucru reduce eliberarea de substanțe nocive în atmosferă. Procesul tehnologic necesită ca adăpostul să fie sigilat pentru a se asigura că gazul este aspirat în colector cu ajutorul ventilatoarelor. Gazele îndepărtate din electrolizoare sunt dominate de dioxid de carbon ( majoritatea monoxidul de carbon este ars fie deasupra electrolitului, fie în arzătoare speciale după clopotul de colectare a gazelor), azot, oxigen, fluoruri gazoase și solide și particule de praf de alumină. Sunt folosite diverse scheme tehnologice pentru a le elimina și a le readuce în proces.

Electrolizatoarele moderne sunt echipate cu un sistem automat de alimentare cu alumină (AAF) cu o perioadă de încărcare de 10-30 min.

Reacția globală care are loc în electrolizor poate fi reprezentată prin ecuație

Astfel, teoretic, alumina și carbonul anodic sunt consumate pentru procesul de electroliză, precum și puterea electrică necesară nu numai pentru implementarea procesului electrolitic - descompunerea aluminei, ci și pentru menținerea unei temperaturi ridicate de funcționare. În practică, se consumă și o anumită cantitate de săruri de fluor, care se evaporă și sunt absorbite în căptușeală. Pentru a obține 1 tonă de aluminiu, aveți nevoie de:

Producția de aluminiu este unul dintre procesele cele mai consumatoare de energie, astfel încât topitoriile de aluminiu sunt construite aproape de sursele de energie.

Toate materialele furnizate pentru electroliză trebuie să aibă o cantitate minimă de impurități mai electropozitive decât aluminiul (fier, siliciu, cupru etc.), deoarece aceste impurități trec aproape complet în metal în timpul electrolizei.

Producția electrotermală de aliaje aluminiu-siliciu.

Este imposibil să se obțină aluminiu pur prin reducerea directă a oxidului său. Procesele carbotermale necesită temperaturi ridicate (aproximativ 2000°C) pentru a reduce alumina, iar în absența componentelor care formează aliaje, metalul se leagă de carbon, dând carbură de aluminiu (A14C3). Se știe că carbura de aluminiu și aluminiul sunt solubile unul în celălalt și formează amestecuri foarte refractare. În plus, A14C3 se dizolvă în A12O3; prin urmare, ca urmare a reducerii oxidului de aluminiu cu carbon, se obțin amestecuri de aluminiu, carbură și oxid care au puncte de topire ridicate. De obicei, nu este posibilă eliberarea unei astfel de mase din cuptor. Chiar dacă acest lucru se poate face, costul separării va fi mare.

Schema tehnologică generală pentru producerea aliajelor aluminiu-siliciu este prezentată în fig. 3. În plus față de caolini (Al2O3×2SiO2×2H2O), pot fi utilizate ca materie primă cianite (Al2O3×SiO2), distensilimaniți (Al2O3×SiO2) și bauxite cu conținut scăzut de fier.

Aliajul după topirea electrică este furnizat pentru purificarea de impurități nemetalice. Pentru a face acest lucru, este furnizat un flux, constând dintr-un amestec de criolit și clorură de sodiu, care udă aceste impurități și le „colectează”. Silicoaluminiul rafinat are o compozitie medie (%): A1 - 61; Si - 36; Fe - 1,7; Ti - 0,6; Zr - 0,5; Ca - 0,7. Acest aliaj nu este potrivit pentru producerea de silumin și necesită purificare din fier. Cea mai comună metodă de purificare este manganul, care formează compuși intermetalici refractari cu fierul.

Orez. 3. Schema generală pentru producerea aliajelor aluminiu-siliciu.

Aliajul rezultat este diluat cu aluminiu electrolitic tehnic sau aluminiu secundar până la o compoziție corespunzătoare diferitelor grade de silumin și turnat în lingouri.

Avantajele acestei metode de obținere a siluminului față de fuziunea aluminiului electrolitic cu siliciul cristalin sunt următoarele: putere mare a unei singure unități - cuptoarele moderne au o putere de 22,5 MB × A, care este de aproximativ 30 de ori mai mare decât puterea unui celula electrolitică cu 160 kA, și, în consecință, o scădere a fluxurilor de marfă, reducerea costurilor de capital și a costurilor forței de muncă; utilizarea de materii prime cu un modul scăzut de siliciu, ale căror rezerve sunt destul de mari în natură.

Teoretic, aluminiul pur poate fi izolat dintr-un aliaj aluminiu-siliciu prin diferite metode. Cu toate acestea, din cauza complexității hardware-ului și a designului tehnologic din industrie, aceste metode nu sunt implementate în prezent.

Acel-proces

Schema de obținere a aluminiului prin metoda Thoth este prezentată în fig. 4. Materiile prime care conțin aluminiu, după prepararea corespunzătoare, sunt clorurate în pat fluidizat în prezența cocsului și SiCl4. Acesta din urmă este utilizat pentru a suprima reacția de clorinare a SiO2. Ca rezultat al clorării în cuptoare cu pat fluidizat (BF), se obține un amestec gaz-vapori (VGM) care include A1C13, FeCl3, TiCl4 și SiCl4. În primul condensator, aproximativ 75% FeCl3 în stare solidă este eliberat din PGM și este trimis în reactorul de oxidare, unde interacționează cu oxigenul atmosferic, rezultând formarea de Fe2O3 și C12. Clorul este returnat pentru clorinare. În al doilea condensator, FeCl3 rămas este eliberat și A1C13 se condensează. Clorurile de titan și siliciu sunt condensate în al treilea condensator. Separarea acestor cloruri se realizează într-o coloană de distilare.

Orez. 4. Schema de obtinere a aluminiului prin metoda Thoth.

Clorurile de aluminiu și fier, descărcate din cel de-al doilea condensator, sunt încălzite, pompate într-un curățător de contact, unde intră în contact în contracurent cu un strat în mișcare de particule solide de aluminiu. Aici are loc reacția:

Clorura de aluminiu purificată este alimentată la reducerea metalotermă. Agenții reducători disponibili din punct de vedere tehnic care au o afinitate mai mare pentru clor decât aluminiu sunt sodiul, magneziul și manganul. Cu toate acestea, primele două elemente ale drumului și producția lor sunt foarte consumatoare de energie. Prin urmare, conform dezvoltatorilor procesului, utilizarea manganului are anumite avantaje, care pot fi regenerate din clorură prin metoda carbotermică cu un consum de energie mult mai mic. În timpul reducerii clorurii de aluminiu cu mangan, au loc următoarele reacții:

Aluminiul dintr-un amestec de MnCl2 cu AlCl3 nereacționat este separat în separatoare cu cicloni, iar manganul și clorurile de aluminiu sunt separate într-un evaporator. Clorura de aluminiu este returnată în reactor pentru a produce aluminiu, iar clorura de mangan reacționează cu oxigenul pentru a forma oxizi solizi de mangan și clor. Oxidul de mangan este redus la metal prin metoda carbotermă în cuptoarele cu arbore, unde se încarcă cocs și calcar. Manganul este adăugat în cuptor pentru a compensa pierderile sale în timpul procesului.

Dezavantajele acestui procedeu, precum și alte metode metaloterme, includ contaminarea produsului rezultat cu un metal reducător, necesitatea organizării producției pentru regenerarea agentului reducător și creșterea costurilor de capital.

Electroliza topiturii clorurii

În ianuarie 1973, Alcoa, unul dintre liderii mondiali în producția și prelucrarea aluminiului, a anunțat dezvoltarea unei noi metode de producere a aluminiului.

Schema tehnologică de bază este prezentată în fig. 5.

Clorura de aluminiu are o mare afinitate pentru apa si o tendinta de a forma oxizi si hidrooxicloruri. În acest sens, obținerea lui în forma sa pură este o sarcină dificilă. Prezența umidității provoacă coroziune, iar prezența compușilor care conțin oxigen duce la precipitarea și oxidarea anozilor. Firma „Alcoa” a propus clorarea aluminei purificate, care rezolvă parțial aceste probleme. Cu toate acestea, este necesar să se respecte cerințele crescute pentru puritatea carbonului în timpul clorării în raport cu hidrogenul sau umiditatea.

Orez. 5. Schema tehnologica de obtinere a aluminiului din clorura.

Clorura de aluminiu rezultată în stare granulară sau de vapori este alimentată la electroliză. Celula electrolitică utilizată în această tehnologie constă dintr-o carcasă de oțel căptușită cu argilă refractă și, în partea inferioară, suplimentar cu cărămizi de diatomee, adică material refractar neconductiv termoizolant care interacționează slab cu topiturile de clorură. În partea inferioară a băii există un compartiment din grafit pentru colectarea aluminiului lichid. Capacul celulei electrolitice are deschideri pentru încărcarea clorurii de aluminiu, aspirarea periodică a aluminiului și eliberarea continuă a clorului gazos utilizat la producerea clorurii de aluminiu. Pereții laterali și capacul electrolizatorului sunt răcite cu apă.

Electroliza folosește electrozi de grafit neconsumabile. Acest avantaj (comparativ cu electroliza topiturii de criolit-alumină), împreună cu o temperatură de proces relativ scăzută (aproximativ 700ºС), face posibilă etanșarea completă a electrolizoarelor.

Descompunerea electrolitică a clorurii de aluminiu necesită teoretic o tensiune mai mare decât electroliza topiturii criolit-alumină, deoarece tensiunea de descompunere a clorurii de aluminiu este mult mai mare. Astfel, dezavantajele procedeului ar putea include necesitatea de a furniza o cantitate mare de căldură electrolizatorului și pierderi semnificative de tensiune. Cu toate acestea, pierderile mari ohmice și termice sunt reduse semnificativ atunci când se utilizează un sistem de electrozi bipolari. În celulă, electrodul de sus este anodul, partea de jos este catodul, iar între ei sunt electrozi de grafit, al căror vârf este catodul, iar partea de jos este anodul. În același timp, rezultatele calculului arată că, odată cu creșterea numărului de electrozi bipolari și scăderea ariei secțiunii lor transversale, curenții de scurgere cresc, adică o parte din curent trece prin partea impregnată cu electrolit a căptușelii și canalele dintre căptușeală și bipoli, fără a efectua lucrări electrochimice. Acești curenți de scurgere au ca rezultat o reducere a curentului de ieșire.

Datorita apropierii punctelor de topire si de fierbere la presiunea atmosferica, clorura de aluminiu se sublimeaza practic fara sa se topeasca. Temperatura de sublimare este de 180,2°C. Punctul triplu corespunde unei temperaturi de 192,6°C și unei presiuni absolute de 0,23 MPa. În acest sens, un amestec topit de clorură de aluminiu (5 ± 2% (masă)), clorură de litiu (~28% (masă)) și clorură de sodiu (67% (masă)) este utilizat ca electrolit. În aceste topituri, activitatea A1C13 scade. Acest lucru se datorează în mare măsură faptului că în amestecurile topite de cloruri, A1C13 se leagă de anioni complecși.

Principalele avantaje prezise și confirmate în timpul implementării industriale în Statele Unite ale metodei Alcoa de producere a aluminiului prin electroliza clorurii acestuia în comparație cu electroliza topiturii de criolit-alumină sunt posibilitatea de a utiliza materii prime de calitate scăzută care conțin aluminiu, reducând consumul specific de energie în timpul electrolizei cu aproximativ 30% și eliminarea consumului de materiale de electrozi care conțin carbon de înaltă calitate, utilizarea de cloruri mai puțin rare și agresive în locul fluorurilor, creșterea productivității muncii, reducerea investițiilor de capital, reducerea costurilor, costul produse finite și emisii nocive în mediu.

Astfel, cea mai promițătoare dintre metodele alternative de producere a aluminiului este electroliza clorurii de aluminiu în electrolizoare cu electrozi bipolari.

3. Proprietăți și utilizări ale lemnului.

Zone uriașe ale planetei noastre sunt acoperite cu păduri, ele ocupă aproximativ o treime din pământ. Produsul principal al pădurii este cheresteaua. După tipul de vegetație forestieră, se disting pădurile de conifere cu un climat temperat cald, pădurile tropicale ecuatoriale, pădurile tropicale umede de foioase și pădurile din regiunile uscate.

Lemnul a fost folosit din cele mai vechi timpuri pentru construirea de locuinte, confectionarea obiectelor de uz casnic, pentru mijloacele de transport si produse diferite. De-a lungul timpului, împreună cu lemnul, metalul, cimentul, gresia, sticla și materialele plastice au început să fie folosite în construcții.

Trebuie remarcat faptul că lemnul are și o serie de dezavantaje: variabilitatea proprietăților în direcția de-a lungul axei trunchiului și transversal; are higroscopicitate, ceea ce duce la o creștere a masei sale și o scădere a rezistenței, iar la uscare, lemnul scade în dimensiune (se produce contracție); se crapă și se deformează; afectat de ciuperci, ceea ce duce la descompunere; lemnul poate arde. Aceste neajunsuri sunt în mare parte eliminate prin prelucrarea chimică și chimico-mecanică a lemnului în materiale de tablă și carton - hârtie, carton, PAL și plăci fibroase, placaj etc.

Un copac adult are trunchi, coroană și rădăcini. legături de portbagaj sistemul rădăcină cu coroana unui copac. Trunchiul dă cea mai mare parte a lemnului (de la 50 la 90% din volumul întregului arbore) și are o importanță industrială majoră. Partea superioară subțire a trunchiului se numește vârf, partea inferioară groasă se numește fund. Lemnul ocupă cea mai mare parte a volumului trunchiului. Diametrul trunchiului variază foarte mult, de la aproximativ 6-8 până la 100 cm.Forma secțiunii transversale a trunchiului și, în consecință, lemnul este cel mai adesea aproape de cerc, dar uneori secțiunea transversală ia forma a unei elipse. Diametrul scade odată cu înălțimea trunchiului. În partea superioară a trunchiului, lemnul este străpuns de noduri, care sunt resturi de ramuri. În exterior, lemnul este acoperit cu scoarță, al cărui volum relativ pentru speciile principale este dat în tabel:

PRINCIPALE PROPRIETĂȚI ALE LEMNULUI

1. Proprietățile chimice ale lemnului

Compoziția chimică a lemnului și a scoarței. Lemnul este compus în principal din materie organică. Compoziția chimică elementară a lemnului de toate speciile este aproape aceeași. Partea organică a lemnului absolut uscat (uscat la 103°C) conține în medie 49-50% carbon, 43-44% oxigen, aproximativ 6% hidrogen și 0,1-0,3% azot.

Partea anorganică poate fi izolată ca cenuşă prin arderea lemnului. Cantitatea de cenușă din lemn este de aproximativ 0,2-1%. Compoziția cenușii include calciu, potasiu, sodiu, magneziu, în cantități mai mici fosfor, sulf și alte elemente. Ele formează minerale, dintre care majoritatea sunt insolubile în apă. Dintre solubile, primul loc este ocupat de alcaline - potasiu și sodă, iar din insolubile - săruri de calciu.

Elementele chimice formează compuși organici complecși. Principalele sunt celuloza, lignina, hemiceluloza, care fac parte din pereții celulari ai lemnului. Restul substanțelor se numesc extractive. Acestea sunt rășini, taninuri și coloranți.

2. Proprietăţile fizice ale lemnului

Proprietățile fizice ale lemnului sunt cele care sunt determinate fără a încălca integritatea probei de testat și fără a modifica compoziția chimică a acesteia, adică sunt detectate prin inspecție, cântărire, măsurare, uscare.

LA proprietăți fizice lemnul includ: aspectul și mirosul, densitatea, umiditatea și modificările asociate - contracție, umflare, crăpare și deformare.

Aspectul lemnului este determinat de culoarea, luciul, textura și macrostructura acestuia.

Mirosul lemnului depinde de rășini, uleiuri esențiale, taninuri și alte substanțe din el. Speciile de conifere - pin, molid - au un miros caracteristic de terebentină. Stejarul are miros de tanin, backout și lemn de trandafir - vanilie. Ienupărul miroase plăcut, așa că ramurile sale sunt folosite la aburirea butoaielor. Mare importanță are miros de lemn la fabricarea recipientelor. Când este proaspăt tăiat, lemnul are un miros mai puternic decât atunci când este uscat.

conținutul de umiditate al lemnului. Într-un copac în creștere, apa este necesară pentru viața și creșterea sa; în lemnul tăiat, prezența apei este nedorită, deoarece duce la o serie de fenomene negative.

Umiditatea (absolută) lemnul este raportul dintre masa de apă și masa lemnului absolut uscat, exprimat în procente.

Contracție. Contracția este o scădere a dimensiunilor liniare și a volumului lemnului în timpul uscării. Începe după îndepărtarea completă a umidității libere din lemn și de la începutul eliminării umidității legate, adică atunci când conținutul său de umiditate scade dincolo de limita de saturație a pereților celulelor.

Umflarea este o proprietate a lemnului care este opusul contracției și respectă aceleași legi. Umflarea este o creștere a dimensiunilor liniare și a volumului lemnului cu o creștere a conținutului de apă legată.

3 Proprietățile mecanice ale lemnului

Proprietățile mecanice caracterizează capacitatea lemnului de a rezista la acțiunea forțelor. Proprietățile mecanice ale lemnului includ rezistența și deformabilitatea, precum și unele proprietăți operaționale și tehnologice.

Rezistență - capacitatea lemnului de a rezista distrugerii sub acțiunea forțelor mecanice; caracteristica sa este rezistenta la tractiune - solicitarea maxima la care poate rezista lemnul fara a se rupe. Indicatorii de rezistență sunt setați atunci când se testează lemnul pentru compresiune, tensiune, încovoiere, forfecare și rareori torsiune.

Deformabilitatea este o modificare a formei și dimensiunii lemnului sub influența forțelor externe.

Duritatea este proprietatea lemnului de a rezista la introducerea unui corp de o anumita forma.

Rezistența la impact caracterizează capacitatea lemnului de a absorbi lucrul la impact fără a se rupe. Determinat în timpul încercărilor de încovoiere. Cu cât este nevoie de mai multă muncă pentru a distruge proba, cu atât este mai mare vâscozitatea.

Rezistența la uzură a lemnului este capacitatea straturilor de suprafață de a rezista la uzură, adică distrugerea în timpul procesului de frecare.

Lemnul este folosit pentru a obține diverse materiale lemnoase. Aceste materiale includ: materiale rotunde, cherestea tăiată, rindeluită, decojită, despicată, lemn mărunțit, materiale lemnoase compozite. Toate aceste materiale sunt utilizate pe scară largă în industria mobilei, construcții navale, construcții de mașini, inginerie mecanică, electrotehnică, construcții, în fabricarea caselor standard din lemn, în producția de automobile, materiale plastice, linoleum, explozivi industriali, pentru ambalarea produselor alimentare și industriale. produse, pentru fabricarea plăcilor de fibrile etc., precum și în alte industrii ca material structural, izolator și de finisare.

4. Fontă. Marcarea, proprietățile și aplicarea fontei cenușii.

Fontele includ aliaje de fier cu carbon care conțin mai mult de 2,14% C (Fig. 6).

Fontele cu un conținut de carbon de până la 4,0 - 4,5% își găsesc aplicații practice. La Mai mult carbon, proprietățile mecanice se deteriorează semnificativ.

Fontele industriale nu sunt aliaje binare, dar conțin, pe lângă Fe și C, aceleași impurități ca și oțelurile carbon Mn, Si, S, P etc. Totuși, aceste impurități sunt mai mari în fonte și influența lor este diferită de cea din fontă. oteluri. Dacă tot carbonul prezent în fontă se află într-o stare legată chimic, sub formă de carbură de fier (F3C - cementită), atunci o astfel de fontă se numește fontă albă. Fonta, în care tot sau cea mai mare parte a carbonului se află în stare liberă sub formă de incluziuni de grafit de o formă sau alta, se numește grafitizat.

Orez. 6. Schema structurală a stării sistemului fier-cementit

În funcție de forma incluziunilor de grafit, fonta grafitizată este fontă gri, de înaltă rezistență, maleabilă și cu grafit compactat.

Fontele cenușii se obțin la o viteză de răcire mai mică a pieselor turnate decât fontele albe. Conțin 1 - 3% Si - care are un efect puternic de grafitizare.

Fonta cenușie este bine prelucrată de unealta de tăiere. Din aceasta sunt produse paturi de mașini, blocuri cilindrice, cadre de fundație, bucșe cilindrice, pistoane etc.

Proprietățile mecanice ale fontei cenușii

Grafitul din fonta cenușie este observat ca incluziuni întunecate pe un fundal deschis al unei secțiuni negravate. Secțiunea negravată este utilizată pentru a evalua forma și dispersia grafitului, de care depind în mare măsură proprietățile mecanice ale fontei cenușii.

Fontele cenușii sunt subdivizate în funcție de microstructura bazei metalice, în funcție de caracterul complet al grafitizării. Gradul sau completitudinea grafitizării este estimat prin cantitatea de carbon eliberat liber (nelegat) (Fig. 7).

Completitudinea grafitizării depinde de mulți factori, dintre care principalii sunt viteza de răcire și compoziția aliajului. Cu răcirea rapidă, formarea cementitului este cinetic mai favorabilă decât cea a grafitului. Cu cât răcirea este mai lentă, cu atât gradul de grafitizare este mai mare. Siliciul acționează în aceeași direcție cu încetinirea răcirii, adică promovează grafitizarea, iar manganul, un element care formează carbură, împiedică grafitizarea.

Orez. 7. Clasificarea fontelor după structura bazei metalice și în formă

incluziuni de grafit

Dacă grafitizarea în stare solidă a trecut complet, atunci fonta conține două componente structurale - grafit și ferită. Dacă descompunerea eutectoidă a austenitei a avut loc în conformitate cu sistemul metastabil

eutectoid (perlit), atunci structura fontei este formată din grafit și perlit. Un astfel de aliaj se numește fontă cenușie pe bază de perlită. O variantă intermediară este, de asemenea, posibilă, atunci când austenita se descompune parțial prin reacția eutectoidă în ferită și grafit și parțial cu formarea perlitei. În acest caz, fonta conține trei structuri structurale - grafit, ferită și perlit. Un astfel de aliaj se numește fontă cenușie pe bază de ferită-perlitică.

Ferita și perlitul din baza metalică a fontei au aceleași caracteristici microstructurale ca și în oțeluri. Fontele cenușii conțin o cantitate crescută de fosfor, care mărește fluiditatea și dă un triplu eutectic.

În baza metalică din fontă cenușie, eutectica fosfură se găsește sub formă de zone ușoare, bine delimitate.

Toate materialele structurale pot fi împărțite condiționat în omogenși compozite, metalice și nemetalice(Figura 6.1).

Metalele- elemente chimice care formează substanţe simple în stare liberă cu legatura metalicaîntre atomi.

Aliaje- solide formate prin fuziunea a două sau mai multe componente. Aliajul se formează atât ca urmare a proceselor pur fizice (dizolvare, amestecare), cât și ca urmare a interacțiunii chimice dintre elemente. Diversitatea compoziției tipurilor de legături interatomice și a structurilor cristaline ale aliajelor provoacă o diferență semnificativă în proprietățile lor fizico-chimice, electrice, magnetice, mecanice, optice și altele. Se numesc aliaje pe bază de fier negru, pe baza de alte metale colorat.

Materiale nemetalice– materiale anorganice si organice, materiale compozite nemetalice, adezivi, etansanti, vopsele, grafit, sticla, ceramica etc.

Polimeri- substante ale caror macromolecule constau din numeroase unitati elementare (monomeri) de aceeasi structura.

Materiale compozite- sisteme heterofazice (formate din faze diferite ca proprietăți fizice și chimice) obținute din două sau mai multe componente, păstrând în același timp individualitatea fiecărei componente individuale.

în care:

materialul este omogen la scară macro și eterogen la scară micro (componentele diferă în proprietăți, există o interfață clară între ele);

una dintre componente, care are continuitate pe tot volumul, este o matrice; o componentă discontinuă, împărțită în volumul compoziției, este considerată de întărire sau de întărire.

În instrumentare, sunt utilizate pe scară largă diverse materiale nemetalice, cum ar fi materiale plastice, cauciuc, sticlă, ceramică, vopsele și lacuri. materiale adezive, iar odată cu dezvoltarea chimiei și a noilor tehnologii, ponderea materialelor nemetalice în instrumente este în continuă creștere.

Alegerea materialelor plastice este determinată de scopul piesei și de caracteristicile producției acesteia (presare, turnare și alte metode), iar caracteristicile structurale, proprietățile mecanice și fizice ale materialelor plastice afectează în mod semnificativ proiectarea piesei și a metodei. a fabricației sale.

Utilizarea materialelor sub formă de pulbere este determinată de necesitatea fabricării unor produse cu proprietăți și structură deosebite care nu sunt atinse prin alte metode de producție, sau produse cu compoziția, structura și proprietățile obișnuite, dar cu indicatori de producție economic mult mai favorabili.

Proprietățile materialelor structurale sunt împărțite în:

mecanic;

tehnologic;

operațională.

Proprietățile mecanice includ:

putere;

elasticitate;

plastic;

duritate;

puterea impactului.

Aceste proprietăți determină rezistența și durabilitatea structurii.

Putere este capacitatea unui material de a rezista la deformare și distrugere.

deformare este modificarea dimensiunii și formei corpului sub influența forțelor externe. Deformațiile sunt împărțite în elastice și plastice. Deformațiile elastice dispar după încetarea acțiunii forțelor, în timp ce deformațiile plastice rămân.

Plastic- capacitatea materialului de a se deforma. Plasticitatea asigură rezistența structurală a pieselor sub sarcină și neutralizează efectul concentratoarelor de stres - găuri, decupaje etc. În timpul deformării plastice a unui metal, o serie de proprietăți se modifică simultan cu o schimbare a formei, în special, în timpul deformării la rece, rezistența crește, dar ductilitatea scade.

Cele mai multe dintre caracteristicile mecanice ale materialelor sunt determinate de încercarea de tracțiune a specimenelor (GOST 1497-84).

La întinderea probelor cu o suprafață a secțiunii transversale S 0 și o lungime de lucru (calculată) l cca, se trasează o diagramă de tensiune în coordonatele: sarcina P - alungirea ∆l a probei (Figura 6.2).

Figura 6.2 - Diagrama de întindere

Întinde diagrama caracterizează comportamentul metalului în timpul deformării din momentul începerii încărcării până la distrugerea probei. Există trei secțiuni pe diagramă:

deformare elastică - până la controlul sarcinii Р;

deformare plastică uniformă de la Р în sus la Р max;

și deformarea plastică concentrată de la P max la P k.

Dacă proba este încărcată în cadrul controlului P și apoi complet descărcată și lungimea sa măsurată, atunci nu vor fi detectate consecințe ale încărcării.

Legea lui Hooke pentru secțiunea liniară a diagramei: σ = E ε, unde E se numește modulul de elasticitate sau modulul lui Young. E are dimensiunea de kg/cm 2 și este una dintre constantele fizice ale materialului. Modulul de elasticitate în tensiune este numeric egal cu tangentei pantei diagramei de tensiuni la axa absciselor.

Între deformarea transversală relativă și deformarea longitudinală relativă în tensiune și compresiune simplă, în limitele de aplicabilitate a legii lui Hooke, există o relație constantă, a cărei valoare absolută se numește coeficientul lui Poissonμ \u003d ε 1 / ε este o valoare adimensională și pentru toate materialele izotrope se află în intervalul 0 - 0,5 (0 pentru plută, 0,5 pentru cauciuc, 0,3 pentru oțel).

Când proba este încărcată mai mult decât R apare controlul deformare reziduală (plastică). Deformarea plastică are loc odată cu creșterea sarcinii, deoarece metalul este întărit în procesul de deformare. Întărirea unui metal în timpul deformării se numește întărit.

Odată cu încărcarea ulterioară, deformarea plastică și odată cu ea călirea prin muncă cresc din ce în ce mai mult, fiind distribuite uniform pe întregul volum al probei. După atingerea valorii maxime a sarcinii P max, în locul cel mai slab, apare o subțiere locală a probei - un gât, în care se produce în principal deformarea plastică ulterioară. În legătură cu dezvoltarea gâtului, în ciuda întăririi continue a metalului, sarcina scade de la P max la P k, iar la sarcina P k proba este distrusă. În acest caz, deformația elastică a probei dispare, în timp ce ∆lres plastic rămâne.

Când este deformată corp solidîn el apar forţe interne. Mărimea forțelor pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale a probei se numește stres. Unitatea de măsură a tensiunii este MPa.

Folosind caracteristicile indicate și cunoscând aria secțiunii transversale a probei S 0 , se determină principalele caracteristici ale rezistenței materialului:

σ pc \u003d R pc / S 0 - limită de proporționalitate; σ y \u003d R y /S 0 - limită elastică; σ t \u003d P t /S 0 - limita de curgere; σ in = P max /S 0 - rezistenta la tractiune sau rezistenta la tractiune; σ k \u003d P k / S 0 - efort în momentul ruperii.

Deoarece diagrama de tensiune a metalelor caracterizează nu numai proprietățile metalelor, ci și dimensiunile eșantionului, este obișnuit să o reconstruim în coordonatele relative σ - ε, o astfel de diagramă se numește diagrama tensiunilor.

Plastic caracterizată prin alungire relativă și contracție relativă:

unde l 0 ,S 0 - lungimea inițială și aria secțiunii transversale a probei; l k ,S k - lungimea finală și aria la rupere.

Valorile de stres admisibile în calcule sunt alese mai puțin de 1,5 - 2,5 ori.

Duritate este rezistența materialului la pătrunderea în suprafața sa de către un corp standard (indentor). Duritatea se apreciază fie după adâncimea de pătrundere a indentorului, fie după dimensiunea amprentei din indentare. În toate cazurile, apare deformarea plastică a materialului. Cu cât rezistența materialului la deformarea plastică este mai mare, cu atât duritatea este mai mare.

Cele mai utilizate metode pentru determinarea durității Brinell, Rockwell, Vickers și a microdurității. Schemele de testare sunt prezentate în Figura 3.4.

Figura 6.3 - Schema de determinare a duritatii unui material conform Brinell (a), dupa Rockwell (b), dupa Vickers (c).

Duritatea Brinell este determinată pe un tester de duritate Brinell. Ca indentor se folosește o bilă de oțel călit cu diametrul D = 2,5; 5; 10 mm, in functie de grosimea produsului.

Imprimarea rezultată este măsurată în două direcții folosind o lupă Brinell. Duritatea este definită ca raportul dintre sarcina aplicată P și suprafața sferică a amprentei.

Metoda Rockwell se bazează pe indentarea în suprafață sub o anumită sarcină a unui vârf sub forma unei bile sau a unui con de diamant. Pentru materiale moi (până la HB 230) se folosește o bilă de oțel cu diametrul de 1/16” (1,6 mm), pentru materialele mai dure se folosește un con de diamant.

Încărcarea se realizează în două etape. Mai întâi, se aplică o preîncărcare P 0 (100 N) pentru a aduce vârful în contact strâns cu proba. Apoi se aplică sarcina principală P 1, de ceva timp acționează sarcina totală de lucru P. După îndepărtarea sarcinii principale se determină valoarea durității din adâncimea adânciturii reziduale a vârfului h sub sarcina P.

Duritatea Vickers determinată de mărimea imprimării indentorului: piramidă tetraedrică de diamant cu un unghi în vârf de 136 o .

Duritatea este calculată ca raport dintre sarcina aplicată P și aria suprafeței amprentei.

Sarcina Р este 50…1000 n. Diagonala amprentei d este măsurată cu ajutorul unui microscop montat pe dispozitiv.

Avantajul acestei metode este că este posibil să se măsoare duritatea oricăror materiale, produse subțiri, straturi de suprafață. Metoda oferă o precizie ridicată cu o sensibilitate ridicată.

Metoda microdurității- folosit pentru determinarea durității componentelor structurale individuale și a fazelor aliajului, straturi de suprafață foarte subțiri (sutimi de milimetru). Metoda este similară cu metoda Vickers. Indentatorul este o piramidă mai mică, sarcinile de indentare P sunt 5...500 N.

puterea impactului caracterizează fiabilitatea materialului, capacitatea sa de a rezista la rupere fragilă. Teste pentru puterea impactului produs pe capete pendul. Probele de testare au tăieturi de o anumită formă și dimensiune. Proba se montează pe suporturile de copra cu o crestătură în direcția opusă impactului cuțitului pendul, care este ridicat la o anumită înălțime. Se determină conform GOST ca lucrare specifică de distrugere a unei probe prismatice cu un concentrator (crestătură) în mijloc cu o lovitură de tester de impact pendular: KS = K / S, unde K este lucrarea de distrugere; S este aria secțiunii transversale a probei la concentrator. Se măsoară în MJ / m 2. Desemnați KCU, KCV, KCT, U, V, T - tip de concentrator (U, V - formă; T - fisura de oboseală).

Proprietățile tehnologice ale materialelor structurale.

Proprietățile tehnologice caracterizează capacitatea unui material de a fi supus diferitelor metode de prelucrare la rece și la cald.

Proprietățile tehnologice ale metalelor și aliajelor includ:

proprietăți de turnare;

deformabilitate;

sudabilitate;

lucrabilitate cu o unealtă de tăiere.

Aceste proprietăți fac posibilă efectuarea prelucrărilor de schimbare a formei și obținerea de semifabricate și piese de mașină.

Proprietăți de turnare caracterizează capacitatea materialului de a obține din acesta piese turnate de înaltă calitate.

Proprietățile de turnare sunt determinate de capacitatea metalului sau aliajului topit de a umple matrița (fluiditate), de gradul de eterogenitate chimică pe secțiunea transversală a turnării rezultate (segregare), precum și de cantitatea de contracție - o reducere a liniară. dimensiuni în timpul cristalizării și răcirii ulterioare.

Formabilitatea unui material - aceasta este capacitatea unui material de a modifica dimensiunile și forma sub influența sarcinilor externe fără a se prăbuși (prelucrare fără îndepărtarea așchiilor). Este controlat ca urmare a testelor tehnologice efectuate in conditii cat mai apropiate de productie. Materialul din tablă este testat pentru îndoirea și desenarea unei găuri sferice. Firul este testat pentru îndoire, răsucire, înfășurare. Țevile sunt testate pentru expansiune, aplatizare la o anumită înălțime și îndoire. Criteriul de adecvare a materialului este absența defectelor după testare.

Sudabilitate- aceasta este capacitatea materialului de a forma îmbinări permanente de calitatea cerută la sudare. Proprietatea este evaluată după calitatea sudurii.

Prelucrabilitate- caracterizează capacitatea materialului de a fi prelucrat cu o unealtă de tăiere. Evaluat după durata de viață a sculei și calitatea suprafeței prelucrate.

Proprietățile tehnologice determină adesea alegerea materialului pentru o structură. Materialele dezvoltate pot fi introduse în producție numai dacă proprietățile lor tehnologice îndeplinesc cerințele necesare.

Producția automată modernă impune cerințe speciale asupra proprietăților tehnologice ale materialului: sudare la viteze mari, răcire accelerată a piesei turnate, tăiere la regimuri ridicate etc., oferind în același timp conditie necesara – Calitate superioară produse primite.

Proprietăți operaționale caracterizează capacitatea materialului de a lucra în condiții specifice:

rezistență la uzură - capacitatea unui material de a rezista distrugerii suprafeței sub acțiunea frecării externe;

rezistență la coroziune - capacitatea unui material de a rezista acțiunii mediilor agresive acide și alcaline;

rezistență la căldură - capacitatea unui material de a rezista la oxidare într-un mediu gazos la temperaturi ridicate;

rezistența la căldură este capacitatea unui material de a menține rezistența și duritatea la temperaturi ridicate;

rezistență la frig - capacitatea unui material de a menține proprietățile plastice la temperaturi scăzute;

antifricțiune - capacitatea unui material de a curge în alt material.

Aceste proprietăți sunt determinate prin teste speciale în funcție de condițiile de funcționare ale produselor. Atunci când alegeți un material pentru crearea unei structuri, este necesar să se țină seama de proprietățile structurale, tehnologice și operaționale.

Materiale de construcție

materiale din care sunt realizate părți ale structurilor (mașini și structuri) care percep o sarcină de putere. Parametrii definitori ai CM sunt proprietățile mecanice, care le diferențiază de alte materiale tehnice (optice, izolante, lubrifiante, vopsea, decorative, abrazive etc.). Principalele criterii pentru calitatea materialelor mecanice includ parametrii de rezistență la sarcini externe: rezistență, vâscozitate, fiabilitate, resursă etc. Pentru o perioadă lungă de dezvoltare, societatea umană a folosit pentru nevoile sale (unelte de muncă și vânătoare, ustensile). , bijuterii etc.) o gamă limitată de materiale: lemn, piatră, fibre vegetale și animale, lut copt, sticlă, bronz, fier. Revoluția industrială a secolului al XVIII-lea. și dezvoltarea ulterioară a tehnologiei, în special crearea motoarelor cu abur și apariția la sfârșitul secolului al XIX-lea. motoare de combustie internă, mașini electriceși automobile, au complicat și diferențiat cerințele pentru materialele pieselor lor, care au început să funcționeze sub sarcini alternative complexe, temperaturi ridicate etc. Aliaje metalice pe bază de fier (fonte și oțeluri (vezi oțel)) , cupru (bronz (vezi bronz) și alamă (vezi alamă)) , plumb și cositor.

În proiectarea aeronavelor, când rezistența specifică ridicată a devenit principala cerință pentru materialele compozite, materialele plastice pe bază de lemn (placaj), oțelurile slab aliate și aliajele de aluminiu și magneziu au devenit utilizate pe scară largă. Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei aviației a necesitat crearea de noi aliaje rezistente la căldură (vezi Aliaje termorezistente) pe baze de nichel și cobalt, oțeluri, titan, aluminiu, aliaje de magneziu adecvate pentru muncă îndelungată la temperaturi ridicate. Îmbunătățirea tehnologiei în fiecare etapă de dezvoltare a impus cerințe noi, din ce în ce mai complexe, pentru materialele complexe (rezistență la temperatură, rezistență la uzură, conductivitate electrică și așa mai departe). De exemplu, construcțiile navale au nevoie de oțeluri și aliaje cu sudabilitate bună și rezistență ridicată la coroziune, în timp ce ingineria chimică are nevoie de rezistență ridicată și pe termen lung în medii agresive. Dezvoltarea ingineriei nucleare este asociată cu utilizarea materialelor compozite, care nu numai că au o rezistență suficientă și o rezistență ridicată la coroziune în diverși agenți de răcire, dar și satisfac o nouă cerință - mici. secțiune transversală captarea neutronilor.

Materialele compozite sunt împărțite: în funcție de natura materialelor - în materiale metalice, nemetalice și compozite , combinarea proprietăților pozitive ale acelor materiale și ale altor materiale; conform proiectării tehnologice - deformate (produse laminate, forjate, matrițe, profile extrudate etc.), turnate, sinterizate, turnate, 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.; conform criteriilor de rezistență - pentru materiale de rezistență scăzută și medie cu o marjă mare de plasticitate, materiale de înaltă rezistență cu o marjă moderată de plasticitate.

Clasele separate de K. m., la rândul lor, sunt împărțite în numeroase grupuri. De exemplu, aliajele metalice se disting: după sistemele de aliaje - aluminiu, magneziu, titan, cupru, nichel, molibden, niobiu, beriliu, wolfram, pe bază de fier etc.; după tipuri de călire - călit, ameliorat, îmbătrânit, cimentat, cianurat, nitrurat etc.; dupa compozitia structurala - oteluri austenitice si feritice, alama etc.

Materialele nemetalice sunt împărțite în funcție de compoziția lor izomeră, de design tehnologic (presat, țesut, înfășurat, turnat etc.), în funcție de tipurile de umplutură (elementele de armare) și în funcție de natura amplasării și orientării acestora. Unele materiale, cum ar fi oțelul și aliajele de aluminiu, sunt folosite ca materiale de construcție și, invers, în unele cazuri materiale de construcție, cum ar fi betonul armat. , utilizate în structurile de inginerie.

Parametrii tehnici și economici ai materialelor compozite includ: parametri tehnologici - prelucrabilitatea metalelor prin presiune, tăiere, proprietăți de turnare (fluiditate, tendință de a forma fisuri la cald în timpul turnării), sudabilitate, lipibilitate, viteza de întărire și fluiditatea materialelor polimerice la condiții normale și ridicate. temperaturi, etc.; indicatori ai eficienței economice (cost, intensitatea forței de muncă, deficit, rata de utilizare a metalelor etc.).

Majoritatea claselor de oțel produse de industrie aparțin metalului K. m. Excepție fac oțelurile care nu sunt utilizate în elementele structurale portante: oțeluri pentru scule (vezi Oțel pentru scule) , pentru elemente de incalzire, pentru sarma de umplutura (la sudare) si altele cu proprietati fizice si tehnologice deosebite. Oțelurile constituie cea mai mare parte a materialelor mecanice utilizate de tehnologie. Au o gamă largă de rezistență - de la 200 la 3000 MN/m2(20-300 kgf/mm 2), plasticitatea otelurilor ajunge 80%, vâscozitate - 3 MJ/m2. Oțelurile structurale (inclusiv inoxidabil) sunt topite în convertoare, cu focar deschis și cuptoare electrice. Pentru rafinare suplimentară, se utilizează purjarea cu argon și tratarea zgurii sintetice într-o oală. Deveni numire responsabilă, care necesită o fiabilitate ridicată, sunt produse prin topirea, degazarea, cu arc de vid, inducție în vid și electrozgură, iar în cazuri speciale - prin îmbunătățirea cristalizării (în instalații de turnare continuă sau semi-continuă) prin tragere din topitură.

Fontele sunt utilizate pe scară largă în inginerie mecanică pentru fabricarea cadrelor, arborilor cotiți, angrenajelor, cilindrilor motoarelor cu ardere internă, pieselor care funcționează la temperaturi de până la 1200 ° C în medii oxidante etc. Rezistența fontelor, în funcție de aliaj, variază de la 110 MN/m2(chugal) până la 1350 MN/m2(fontă de magneziu aliată).

Aliajele de nichel și aliajele de cobalt păstrează rezistența până la 1000-1100 °C. Ele sunt topite în cuptoare cu inducție în vid și cu arc cu vid, precum și în cuptoare cu plasmă și cu fascicul de electroni. Ele sunt utilizate în motoare de avioane și rachete, turbine cu abur, dispozitive care funcționează în medii agresive etc. Rezistența aliajelor de aluminiu (vezi aliaje de aluminiu) este: deformabil până la 750 MN/m2, turnătorii până la 550 MN/m2, din punct de vedere al rigidității specifice, acestea sunt semnificativ superioare oțelului. Sunt utilizate pentru fabricarea de corpuri de aeronave, elicoptere, rachete, nave în diverse scopuri etc. Aliajele de magneziu se disting printr-un volum specific ridicat (de 4 ori mai mare decât cel al oțelului), au o rezistență de până la 400 MN/m2și mai sus; sunt utilizate în principal sub formă de turnare în structuri aeronautice, în industria auto, în industria textilă și tipografică etc. Aliaje de titan începe să concureze cu succes într-o serie de ramuri ale tehnologiei cu oțelurile și aliajele de aluminiu, depășindu-le ca rezistență specifică, rezistență la coroziune și rigiditate. Aliajele au rezistență de până la 1600 MN/m2și altele. Sunt utilizate pentru fabricarea de compresoare pentru motoare de aeronave, aparate pentru industria chimică și de rafinare a petrolului, instrumente medicale etc.

Materialele nemetalice includ materiale plastice, materiale polimerice termoplastice (vezi polimeri), ceramică (vezi ceramică), refractare, sticlă (vezi sticlă), cauciuc (vezi cauciuc) și lemn (vezi lemn). Materiale plastice pe bază de rășini termoplastice, epoxidice, fenolice, organosilicioase și fluoroplastice (vezi Fluoroplastice) , întărite (întărite) cu sticlă, cuarț, azbest și alte fibre, țesături și benzi, sunt utilizate în construcția de avioane, rachete, în energie, inginerie de transport etc. Materiale polimerice termoplastice - Polistiren, metacrilat de polimetil, poliamide, fluoroplastice, precum și detalii despre echipamente electrice și radio, unități de frecare care funcționează în diverse medii, inclusiv cele active chimic: combustibili, uleiuri etc.

Paharele (silicat, cuarț, organic), triplexurile pe bază de acestea sunt folosite pentru vitrarea navelor, aeronavelor, rachetelor; materialele ceramice sunt folosite la fabricarea pieselor care funcționează la temperaturi ridicate. Cauciucurile pe bază de diverse cauciucuri, întărite cu țesături de snur, sunt utilizate pentru producerea de anvelope sau roți monolitice de avioane și automobile, precum și diferite garnituri mobile și fixe.

Dezvoltarea tehnologiei impune cerințe noi, mai mari pentru materialele compozite existente și stimulează crearea de noi materiale. Pentru a reduce masa structurilor aeronavelor, de exemplu, se folosesc structuri multistrat care combină ușurința, rigiditatea și rezistența. Armarea exterioară a volumelor închise metalice (bile, cilindri, cilindri) cu fibră de sticlă (vezi fibră de sticlă) poate reduce semnificativ greutatea acestora în comparație cu structurile metalice. Pentru multe domenii ale tehnologiei, sunt necesare materiale compozite care combină rezistența structurală cu proprietăți ridicate electrice, de protecție termică, optice și alte proprietăți.

Deoarece aproape toate elementele tabelului periodic și-au găsit drumul în compoziția CM, 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 CM. asociate cu sinteza materialelor din elemente cu proprietăți limitative, de exemplu, extrem de rezistente, extrem de refractare, stabile termic etc. Asemenea materiale constituie o nouă clasă de materiale compozite, care folosesc elemente de înaltă rezistență (fibre, filamente, fire, mustăți, granule, compuși dispersați foarte dur și refractari care alcătuiesc armătura sau umplutura), conectate printr-o matrice de plastic și material rezistent(aliaje metalice sau materiale nemetalice, predominant polimerice). În ceea ce privește rezistența specifică și modulul specific de elasticitate, materialele compozite pot fi cu 50–100% superioare decât aliajele de oțel sau aluminiu și oferă o economie de 20–50% a masei structurilor.

Pe lângă dezvoltarea materialelor compozite compozite cu o structură orientată (ortotropă), o modalitate promițătoare de îmbunătățire a calității materialelor compozite este reglarea structurii materialelor compozite tradiționale.De exemplu, cristalizarea direcțională a oțelurilor și aliajelor produce piese turnate, de exemplu, paletele turbinei cu gaz, formate din cristale orientate faţă de principalele tensiuni astfel încât limitele de cereale (punctele slabe în aliajele la temperatură înaltă) să fie descărcate. Cristalizarea direcțională face posibilă creșterea plasticității și durabilității de mai multe ori. O metodă și mai progresivă de creare a materialelor moleculare ortotrope este producerea de piese monocristaline cu o orientare cristalografică definită în raport cu tensiunile aplicate. Metodele de orientare sunt utilizate foarte eficient în materialele nemetalice.De exemplu, orientarea macromoleculelor liniare ale materialelor polimerice (orientarea ochelarilor din poli(metacrilat de metil)) crește semnificativ rezistența, tenacitatea și durabilitatea acestora.

La sintetizarea materialelor compozite și la crearea aliajelor și materialelor cu structură orientată se folosesc realizările științei materialelor.

Lit.: Kiselev B. A., Fibre de sticlă, M., 1961; Materiale structurale, vol. 1-3, M., 1963-65; Materiale refractare în inginerie mecanică. Manual, ed. A. T. Tumanov și K. I. Portnoy, Moscova, 1967. Proprietăți structurale materiale plastice, trans. din engleză, M., 1967; Cauciucul este un material structural al ingineriei mecanice moderne. sat. Art., M., 1967; Materiale în inginerie mecanică. Alegere și aplicare. Manual, ed. I. V. Kudryavtseva, vol. 1-5, M., 1967-69; Khimushin F.F., Oțeluri și aliaje rezistente la căldură, ed. a II-a, M., 1969; Materiale compozite moderne, trans. din engleză, M., 1970; aliaje de aluminiu. sat. Art., vol. 1-6, M., 1963-69.

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