Конструкционные материалы

Основными характеристиками материалов являются:

- прочность, определяемая пределами прочности , текучести или , выносливости σ_-1, ползучести , характеризующим деформацию ε за определённый промежуток времени при температуре Т для жаропрочных сплавов, а также удельными прочностными показателями, отнесёнными к плотности ρ;

- предел контактной выносливости для базового числа циклов смены напряжений N_HO, а также твёрдость по Бринеллю HB или Роквеллу HRC_э;

- жёсткость, определяемая модулем упругости Е;

- ударная вязкость KCU (отношение работы разрушения образца определённого поперечного сечения к площади сечения в месте разреза);

- пластичность материала, характеризуемая относительным удлинением δ и сужением ψ;

- износостойкость, показателем которой является интенсивность изнашивания J_h=h/s, где h-величина износа

s-путь трения (она зависит от твёрдости поверхности и допускаемого давления [p];

- фрикционные свойства (коэффициент трения f, скорость скольжения v_s, допускаемое давление [p];

- плотность ρ в г/см³.

К специальным характеристикам материала относятся: теплостойкость, хладноломкость, теплопроводность и др.

Технологическими свойствами материала являются: литейные, обрабатываемость резанием, возможность сварки или пайки, возможность изменения формы пластической деформацией, а качества материала - термической или термохимической обработкой.

Конструкционные стали (ρ=7,8 г/см³, С<0,7%) делятся на углеродистые и легированные. Из малоуглеродистых сталей детали выполняются из сортового или листового проката. Эти сорта хорошо свариваются. Качественные углеродистые стали С<0,3% отличаются пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются и куются, однако не подвергаются закалке. Увеличение содержания С приводит к повышению прочностных характеристик при одновременном снижении пластичности.

Легированные стали применяются в случаях, когда от изделия требуется высокая прочность, или специальные свойства (теплостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, износостойкость). К ним относятся хромистые стали (ШХ15), хромоникелевые стали (20ХНЗА), в том числе с добавками Мо (40ХНМА) или W (25ХНВА), которые обладают высокими механическими и технологическими свойствами, а также хромоникелевые нержавеющие стали (12Х18Н10Т). Марки, механические характеристики и области применения некоторых сортов сталей приведены в соответствующих авиационных ОСТах.

Титан и его сплавы обладают высокой прочностью, вязкостью, малой плотностью (ρ=4,5 г/см³) при высокой коррозионной и повышенной термостойкости. Ряд сплавов титана обрабатывается давлением, сваривается аргонно-дуговой и контактной сваркой, обрабатывается резанием. К недостаткам следует отнести низкую теплопроводность и модуль упругости (11,5х10⁴ МПа), плохие антифрикционные свойства. Сплавы титана легируются Al, Mn, Cr, Fe и др.

По технологии изготовления титановые сплавы делятся на деформируемые и литейные, а по механическим характеристикам – на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. Например, сплавы ВТ6, ВТ8, ВТ14 могут упрочняться термической обработкой. Сплавы ВТ5 имеют высокий предел ползучести, хорошо свариваются, обрабатываются резанием и работают при низких температурах.

Литейные титановые сплавы имеют хорошие литейные качества и используются для изготовления заготовок и фасонных отливок. Ввиду склонности к поглощению газов и взаимодействию с формовочными материалами плавку и разливку ведут в вакууме или среде нейтральных газов.

Для соединений трубопроводов используют муфты с памятью формы из сплава ТН1К.

Алюминиевые сплавы (ρ=2,7 г/см³) обладают хорошей коррозионной стойкостью, обрабатываются резанием и давлением, паяются, имеют высокие удельные прочностные показатели. Ряд сплавов обладает литейными свойствами.

Сплавы алюминия делятся на деформируемые и литейные, а по основным компонентам на силумины (Al-Si) и дюралюмины (Al-Cu-Mn).

Силумины АЛ4 и АЛ5-1 имеют повышенную прочность. АЛ3 и АЛ6 обладают хорошими литейными свойствами и средней прочностью. Сплав ВИ-11-3 имеет высокую коррозионную стойкость, хорошие литейные качества, повышенную прочность, сваривается аргонно-дуговой сваркой и обрабатывается резанием.

Деформируемые алюминиевые сплавы поставляются в виде листового проката, проволоки, фасонного профиля и прессованных труб. Их выполняют повышенного качества (А), мягкими отожжёнными (М), полунагартованными со степенью обжатия 40% (П) и нагартованными (Н) (80%).

В зависимости от состояния поставки дюралюмины имеют различные свойства. Они могут обладать высокой или низкой пластичностью, хорошо свариваться, подвергаться ковке или штамповке. Например, Д16 повышенной прочности

в отожжённом состоянии имеет среднюю пластичность и низкую обрабатываемость, а в закалённом и нагартованном состояниях - обрабатывается уже удовлетворительно.

Для ковки и горячей штамповки используются сплавы марок АК4, АК6, АК8.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью (ρ=1,7

г/см³), высокой удельной прочностью, хорошими литейными свойствами. Однако, они склонны к поверхностному окислению. Поэтому необходима защита поверхности в виде покрытий. Эти материалы делятся на деформируемые (МА1, МА2, МА5) и литейные (МЛ2, МЛ3, МЛ4). Деформируемые сплавы обычно поставляются в виде горячепрессованных профилей, плит и полос.

Медь и её сплавы отличаются высокой электро- и теплопроводностью, диамагнитными свойствами, хорошим сопротивлением коррозии, пластичностью. Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, кроме Zn.

Бронзы обладают хорошими литейными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, а бериллиевые бронзы - и упругими. Латуни - сплавы на основе меди и цинка имеют высокие механические и технологические свойства. Они

поставляются в виде прутка, лент, полос, проволоки, труб, а литейные - в чушках.

Композиционные материалы представляют собой неоднородную структуру, полученную из 2-х или более компонентов. Матрица обладает непрерывностью по всему объёму, наполнитель распределён дискретно по объёму и является усиливающим или армирующим. По форме включений в композитах используются гранулы, короткие волокна, непрерывные волокна (нити) и слои из тканых материалов

По конструктивному признаку различают материалы хаотически армированные, образованные в результате соединения полимерной матрицы с гранулами, не ориентированными короткими и длинными волокнами, одномерно- двумерно- и пространственно армированные.

В качестве наполнителя чаще всего используют борные, стеклянные, углеродные и органические волокна.

Механические свойства композита определяются прочностью и ориентацией включений, жёсткостью матриц и прочностью связей на границе их раздела.

Матрица обеспечивает монолитность и форму изделия, а также фиксирует взаимное расположение включений. В их качестве используются полимеры (отверждённые эпоксидные полиэфирные или другие термоактивные смолы, а также термопластичные материалы) и металлы (Al, Ti, и др.).

Пластические массы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять её после охлаждения. Помимо полимера они могут содержать различные наполнители, пластификаторы и стабилизаторы. Наполнители бывают порошкообразные, волокнистые, слоистые и др. вещества.

Их добавляют в состав пластмасс для придания им требуемых эксплуатационных характеристик. Связующим материалом служат высокомолекулярные соединения. Так высокомолекулярные вещества, образующие сетчатую, пространственную структуру, которая возникает путём соединения друг с другом линейных молекул под действием температуры и давления на последней стадии формирования изделия называются реактопластами.

К распространённым пластмассам относятся:

полиэтилен (ПЭВД, ПЭНД)–продукт полимеризации этилена;

поливинилхлорид (ПВХ) –продукт полимеризации хлористого винила;

фторопласт (Ф-4) – является производным этилена;

полиакрилаты (ЛТП-1) – пластики на основе производных акриловой и метакриловой кислот (плексиглас);

полиамиды (ПА-610) – литьевые пластмассы, допускающие наполнение стекловолокном, графитом, тальком (капрон, нейлон, перлон);

поликарбонаты (ПК) получаются воздействием фосгена на дифенилпропан в щелочной среде.

Лекция 3.