ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 56
Скачиваний: 0
5. Технологические характеристики материалов
Технологическими характеристиками оценивают по датливость материала различным видам обработки. Чем важнее-конструкционный материал, тем шире опыт его обработки, тем разнообразнее технологические характе ристики. Так, металлы можно лить, ковать, прокатывать, штамповать, прессовать в горячем состоянии, гнуть, плю щить, волочить, вытягивать в холодном состоянии, под вергать термической и химико-термической обработке, наносить покрытия, резать газом, плазмой, режущими инструментами, склеивать, сваривать и соединять кре пежными деталями. Для других материалов разнообра зие способов обработки значительно меньше.
Литейные характеристики металлов оценивают воз можность и сложность получения отливок и включают в себя температуры литья, начала и конца кристаллиза ции, жидкотекучесть — длину затекания в узкий канал специальнрй формы, усадку, склонность к образованию усадочной раковины, меры по защите жидкого металла от окисления и др.
Обрабатываемость металла давлением в горячем и холодном состоянии оценивают разнообразными техноло гическими пробами (на осадку, на загиб, на вытяжку сферической лунки), характеристиками пластичности, упрочнения и твердости металла при температуре обра ботки.
Свариваемость металлов оценивают пробами на сва риваемость, например пробной наплавкой валика на ли стовой металл с определением качества металла в вали ке и прилегающих зонах.
Возможность термической и химико-термической об-. работки определяют при специальных испытаниях. Прокаливаемость стали характеризуют высотой от охлаждае-
2* |
19 |
мого струей воды торца цилиндрического образца диа метром 25 мм, нагретого под закалку, на которой сохра няется твердость выше HR С 40.
Возможность кислородной резки металла обусловле на тем, что температура горения металла в кислороде и плавления его окислов ниже температуры плавления ме талла.
Все металлы поддаются резке высокотемпературной плазмой.
Обрабатываемость металла резанием оценивают ско ростью затупления резца при заданных режимах реза ния при обеспечении достаточной чистоты обработки и выражают в процентах от обрабатываемости автоматной стали — для разных сталей и свинцовистой латуни — для разных медных сплавов.
Из-за хрупкости и высокой твердости механическая обработка каменных материалов затруднительна (срав нительно легко режутся обычными инструментами асбо цемент, мрамор, тальк и мягкие пористые камни), а фор мование керамики, стекла и каменного литья возможно лишь при наличии специального оборудования. Поэтому эти материалы в конструкциях используются в виде гото вых изделий.
Сравнительно просто изготовление искусственных ка менных изделий из смесей на основе минеральных вяжу щих. Технологические характеристики таких смесей— состав, условия смешивания, наибольшая крупность ча стиц наполнителя, определяющая минимальную толщи ну стенок изделия, консистенция (подвижность, удобоукладываемость) смеси, сроки схватывания (потери пла стичности) и затвердевания, температура и влажность при твердении.
Обрабатываемость древесины режущими инструмен тами, прессованием и гнутьем зависит от ее влажности,
20
твердости и структуры, определяемой породой, условия ми роста и предшествующей обработкой.
Обрабатываемость бумаги, картона, фибры связана с характером сырья (состав по волокну), толщиной, по ристостью, пластичностью и прочностью во влажном и сухом состоянии.
Для однократно формуемых термореактивных пласт масс технологическими характеристиками являются со став и консистенция материала, определяющие возмож ности формования, температуры предварительного подо грева материала и формы, текучесть материала при прессовании в горячей форме (длина отформованного стерженька в сужающемся канале специальной формы Рашига при стандартных условиях прессования), давле ние и время выдержки в форме, усадка после извлечения из формы.
Формуемость термопластов в текучем состоянии (литье под давлением и др.) характеризуют индексом расплаватемпературным интервалом текучести, давле нием и способами возможного формования. Формуемость их в высокоэластичном состоянии характеризуется допу стимыми деформациями растяжения, при которых мате риал не разрушается. Для пластмасс, обрабатываемых резанием (слоистые и др.), важны режимы резания и особенности заточки инструмента, для склеиваемых — составы клеев и режимы склеивания, для свариваемых — температуры, давления и выдержки, обеспечивающие сварку.
Технологические характеристики резин дополнитель но включают в себя режимы вулканизации изделий во время или после формования.
1 Индекс расплава — это вес материала, выдавливаемого за 10 мин из стандартного сопла при 190° С и стандартном давлении.
21
6. Экономические характеристики материалов
Стоимость конструкции определяется суммой всех расходов на ее изготовление и связана с экономическими характеристиками материалов: стоимостью израсходо ванных материалов и расходами на их обработку при изготовлении деталей конструкции.
Стоимость израсходованного материала равна произ ведению его количества на цену единицы веса (объема), а вес складывается из веса деталей и отходов при обра ботке.
Вес отходов тем больше, чем больше объем заго товки отличается от объема изделия. У пластмасс, резин и других формующихся материалов обработка резанием сведена к минимуму или исключается вовсе, а у заго товок из отрезков прокатного металла, деревянных сор тиментов, листовых материалов и заготовок из природ ного камня вес отходов может быть значительно больше веса деталей.
Стоимость обработки включает в себя суммарные за траты на производство деталей, определяемые не только материалом, но также конструкцией деталей и техноло гией их обработки. Стоимость обработки, как и количе ство отходов, связана с отработанностью технологии про изводства деталей, технологичностью их конструкций и масштабом производства. Чем больше объем производ ства, тем тщательнее производится конструктивная и технологическая подготовка производства, тем ниже рас ходы на единицу продукции.
Кроме расходов на производство, в случае прежде временного износа или разрушения деталей возникают дополнительные затраты, определяемые стоимостью за меняемых деталей и работ, связанных с заменой, поэто-
2?
му замена более качественного, но дорогого материала менее качественным часто приводит не к экономии, а к повышению затрат из-за невыработки ресурса.
7. Выбор допускаемых значений технических характеристик материалов
До выбора материала следует установить требуемые значения технических характеристик. Для этого нужно выяснить условия работы материала в нормальных и аварийных условиях эксплуатации конструкции. Решаю щими факторами обычно являются рабочие температу ры, характер их изменения, состав окружающей среды и механические воздействия.
Предельные рабочие температуры для конструкций, не имеющих внутренних источников тепла, принимаются равными температуре внешней среды. Если в конструк циях выделяется или поглощается тепло, то предельные рабочие температуры определяются из опыта или про изводят тепловой расчет. При изменениях температуры наиболее опасными могут оказаться максимальные пе репады температуры; при резком охлаждении наружный слой материала растрескивается.
Предельные рабочие температуры конструкции долж ны лежать внутри интервала допускаемых рабочих тем ператур для выбираемого материала, а термостойкость его должна быть больше максимально возможного пере пада температур.
Если известен характер внешней среды, то, как пра вило, несложно подобрать стойкий в ней материал или хотя бы стойкое покрытие. Нужно только иметь в виду, что стойкость материала к действию внешней среды мо жет измениться с изменением температуры и напряжен
23
ного состояния. Так, стойкая на воздухе медь быстро разрушается от окисления при интенсивной знакопере менной деформации, а нерастворимый в нефтепродуктах при комнатной температуре полиэтилен, как уже упоми налось, начинает растворяться в них при нагреве выше
70° С.
Во всех случаях важнейшее значение имеет характер механических воздействий на материал конструкции, и в соответствии с этим следует производить выбор меха нических характеристик материала.
Для строительных конструкций, нагруженных, напри мер, весом установленного оборудования, важно обеспе чить достаточные пределы прочности на растяжение, сжатие или изгиб, в зависимости от характера нагруже ния. Если основную нагрузку составляет собственный вес конструкции, важно отношение предела прочности мате риала к его объемному весу.
При необходимости обеспечить минимальную дефор мацию под нагрузкой модуль упругости материала дол жен быть высоким, или, если деформация происходит под действием собственного веса, отношение модуля упругости к объемному весу должно быть возможно большим. Для легко деформируемых элементов конструк ций требуются материалы с малым модулем упругости и большой способностью к деформации, например ре зина.
Для деталей сложной формы с неравномерным рас пределением напряжений по сечению (детали с резкими уступами, отверстиями, надрезами и др.) подбираемые материалы лучше оценивать по пределу прочности и ударной вязкости. Ударная вязкость характеризует спо собность материала к упрочнению в условиях концентра ции напряжений в надрезе при пластической деформа ции и к перераспределению напряжений в связи с этим.
24
Важной характеристикой является также разность меж ду пределом прочности и пределом текучести.
Если нагруженные детали должны деформироваться только обратимо, то для пластических материалов ре шающей характеристикой будет предел текучести. Одна ко и в этих условиях пластичность материала имеет су щественное значение, так как в аварийной обстановке пластическая деформация всегда менее опасна, чем
хрупкое разрушение.
Для деталей конструкции, обратимо деформируемых ударными нагрузками, решающей характеристикой бу дет максимальная энергия упругой деформации, накап ливаемая единицей объема материала при нагружении. У стали эта величина пропорциональна квадрату преде ла текучести (условного предела текучести), а у других материалов — отношению квадрата максимального упру гого напряжения к модулю упругости.
Максимальная энергия упругой деформации единицы объема материала является решающей характеристикой также для пружин, рессор и других упруго деформируе мых деталей.
Детали, работающие при быстро меняющихся нагруз ках, например вращающиеся валы, вибрирующие детали, оказываются стойкими, если величина быстро меняю щихся напряжений не превосходит предела выносли вости. При этом концентраторы напряжений — уступы, надрезы, отверстия и др. — относительно больше сни жают предел выносливости высокопрочных материалов, чем материалов с меньшей прочностью, но большей спо собностью к упрочнению. Поэтому для деталей сложной формы при циклических нагрузках не применяют стали с пределом прочности более 120 кг!мм2. Для прикидочных расчетов можно принять, что предел выносливости равен 0,4—0,6 от предела прочности при равномерной
25
деформации и 0,2—0,3 от предела прочности при нали чии концентраторов напряжений. У чугуна предел вы носливости равен 0,4—0,5 предела прочности.
Для деталей, испытывающих сосредоточенное высокое местное давление (лезвия режущих инструментов, штам пы, клейма, опоры и тела качения подшипников каче ния и др.), решающей характеристикой материала будет твердость по Бринелю или по Виккерсу и ее равномер ность. Однако при этом важна также и прочность на рас тяжение (на изгиб), определяющая сопротивление вы крашиванию.
Минимально допускаемые значения механических ха рактеристик, обеспечивающие техническую пригодность материала, часто оценивают приближенно сравнением с результатами работы известных аналогичных конструк ций. Однако правильнее проводить в каждом случае прикидочные механические расчеты. Если же механические расчеты недостаточно надежны, проводят специальные экспериментальные исследования.
Г л а в а II
Выбор группы конструкционных материалов
1. Основные группы конструкционных материалов
Современные конструкционные материалы удобно рассматривать по группам с близкими свойствами и при менением (рис. 3). Из них важнейшими являются сплавы железа: ковкие — сталь и высокоуглеродистые литей ные — чугун.
Сталь поставляется в виде проката, проволоки, поко вок, слитков и отливок, и без добавок называется у г л е р о д и с т о й , так как ее свойства определяются содержа нием углерода, а с легирующими добавками — л е г и р о в а н н о й . Если добавок меньше 5%, сталь — низколеги рованная, 5—10%[ — среднелегированная и более 10%' — высоколегированная.
Для отливок чаще применяют чугун. Самый распро страненный с е р ый чугун хорошо льется, легко обраба тывается резанием, «о хрупок и недостаточно прочен, так как его металлическая основа изнутри изрезана листоч ками графита. Введением в расплав магния и графитизаторов получают высокопрочный чугун с шарообразным графитом, по свойствам близкий к стали. При, отжиге б е л о г о чугуна (с углеродом в виде хрупкого твердого
27
28
цементита) цементит распадается на железо и графит в виде комочков и получается к о в к и й чугун, по свой ствам близкий к высокопрочному.
Из других металлов важнейшие — легкие сплавы на основе алюминия, магния и титана, вытесняющие сталь в авиации, транспорте, строительстве облегченных конст рукций и др. Самые распространенные из легких спла вов — а л ю м и н и е в ы е — бывают литейные и деформи руемые, малой, средней и высокой прочности' (после тер мической обработки).
М а г н и е в ы е сплавы легче алюминиевых, но менее жестки и прочны, легче корродируют; применяются реже.
Т и т а н о в ы е сплавы бывают средней и высокой прочности и применяются в виде проката и поковок.
Для специальных изделий используют тяжелые цвет
ные сплавы: |
ме дные , н и к е л е в ы е и |
др. |
Из м е т |
а л л и ч е с к и х п о р о ш к о в |
изготовляют |
м е т а л л о к е р а м и к у — пористые и плотные изделия разного назначения со специфическими свойствами, обу словленными составом композиции и влиянием пор. Прочность и пластичность пористых изделий быстро убы вают с возрастанием пористости.
М и н е р а л ь н ы е м а т е р и а л ы — природные, до бываемые в карьерах, и искусственные, получаемые хи мической или тепловой переработкой природных, — хрупки, непрочны на растяжение, но огнестойки и по хи мической стойкости превосходят другие материалы. Большинство минеральных материалов используется в строительных конструкциях. В машиностроении из мине ральных материалов делают облицовку топок, травиль ные ванны, муфели и другие детали — крупногабаритные и малонагруженные, подвергаемые действию огня, кис лот, расплавленных металлов, а также особо твердые и износостойкие.
29