1.5. Конструкционные материалы Лекция 1.5.1. Технология конструкционных материалов

Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов -- на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению -- на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности -- на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств.

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машини приборов характеризуются большим разнообразиемформ,размеров,условийэксплуатации. Ониработаютпри статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Этифакторыопределяют требования к конструкционным материалам, основные из которых—эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машини приборов, конструкционныйматериалдолжен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностьюназываетсякомплексмеханических свойств, обеспечивающих надежную и длительнуюработуматериалавусловияхэксплуатации.

Механические свойства, определяющие конструкционную прочностьи выбор конструкционного материала. Требуемыехарактеристикимеханическихсвойствматериаладля конкретногоизделиязависят не только от силовыхфакторов, но и воздействия на него рабочейсредыи температуры.

Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которойработаетматериал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочаясредаможет вызывать повреждениеповерхностивследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химическогосоставаповерхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание). Кроме того, возможны разбухание и местноеразрушениематериалав результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочейсреде,материалдолжен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами:стойкостьюк электрохимической коррозии,жаростойкостью(окалиностойкостью —устойчивостьюк химической коррозии), радиационной стойкостью, влагостойкостью,способностьюработатьвусловияхвакуумаи др.

Температурный диапазон работысовременныхматериаловочень широк от 269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500°С. Для обеспечения работоспособности при высокойтемпературеотматериалатребуется жаропрочность, а при низкой температуре—хладостойкость.

В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильностиразмеровдеталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкостиизготовления деталей и конструкций. Технологичностьматериалахарактеризуют возможныеметодыего обработки. 

По качеству сталиклассифицируют насталиобыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством сталипонимают совокупность свойств, определяемых металлургическимпроцессомее производства. Однородность химического состава, строения исвойствстали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы ифосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основнымипоказателямидля разделениясталейпо качеству.Сталиобыкновенного качества содержат до 0,055%S и 0,045% Р, качественные - не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025 % Р, особовысококачественные— не более 0,015% S и 0,025% Р.

По степенираскисления и характеру затвердеваниясталиклассифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление  - процессудаления из жидкогометаллакислорода, проводимый для предотвращения хрупкогоразрушениясталипри горячей деформации.

Спокойные сталираскисляют марганцем,кремниеми алюминием. Они содержат малокислородаи затвердевают спокойно без газовыделения.  Кипящие сталираскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделениепузырей СО создает впечатлениекипениястали, с чем исвязаноее название. Кипящиесталидешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически безкремния(Si < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные сталипостепенираскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификациисталиноструктуреучитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. Поструктурев отожженном (равновесном)состоянииконструкционныесталиразделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие вструктуреизбыточный феррит; 2) эвтектоидные,структуракоторых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные.

Углеродистые сталимогут быть первых двух классов, легированные — всех классов.Сталиаустенитного класса образуются при введении большого количества элементовNi, Мп, расширяющих у-область; сталиферритного класса-при введении элементов Сг,Si, V, W и др., При определенном легированиивозможны частичнаяперекристаллизация(а+± у) и образованиесталейпромежуточных классов - полуферритных и полуаустенитных.

По структурепосле нормализации сталиподразделяют на следующие основные классы:перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивостьпереохлажденногоаустенита. Приохлаждениинавоздухеони приобретаютструктуруперлита,сорбитаили троостита, в которой могут присутствовать также избыточныеферритили карбиды. Ксталямперлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостьюпереохлажденногоаустенита; приохлаждениинавоздухеони закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенною количества никеляили марганца (обычно в сочетании с хромом) имеютинтервалмартенситногопревращенияниже 0°С и сохраняютаустенитпритемпературе20-25 °С.Распадаустенитавперлитнойи промежуточной областях отсутствует.

Структурный класс аустенитныхиферритныхсталейсовпадает поклассификациикак в отожженном, так и нормализованном состояниях.

По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные сталис некоторой условностью можно разделить насталинормальной (средней)прочности(σ~до 1000 МПа), повышенной прочности(σ~до 1500 МПа) и высокопрочные (σ ~ более 1500 МПа).

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысо­кую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны со­держать минимальное количество леги­рующих элементов. Использование ма­териалов, содержащих дорогостоящие легирующие эле­менты, должно быть обосновано повы­шением свойств дета­лей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масшта­бе производства.

Таким образом, кон­струкционный материал должен удовле­творять комплексу требований.