Лекция 2 Материалы

2.1 Материалы, применяемые для изготовления

аппаратуры

Металлы и сплавы.

Под металлами в технике подразумевают как химические элементы, так и их соединения (сплавы), которые характеризуются специфическими свойствами: металлическим блеском, высокими электро- и теплопроводностью, непрозрачностью, способностью подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях (резанию, ковке, прокатке, волочению и т.п.).

В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный «газ» из подвижных электронов. Металлы активно образуют химические соединения с неметаллами (оксиды, сульфиды, бориды, нитриды и т.д.), а также с другими металлами (интерметаллиды). Современная металлургия в промышленном объеме получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов.

Сплавы - это твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов.

Любое изделие аппаратостроения, любую составляющую его деталь изготовляют из материалов, удовлетворяющих по совокупности техническим, эксплуатационным, технологическим, экономическим, экологическим и иным требованиям и таким образом обеспечивающих выполнение служебного назначения. Такие материалы принято называть конструкционными.

Порой можно встретить определение, по которому к конструкционным материалам относят только такие, из которых изготовляют детали (элементы конструкции), воспринимающие силовые нагрузки. На самом же деле конструкционные материалы должны воспринимать любые внутренние и внешние физические воздействия, например, выполнять тепло- и шумоизолирующую, экранирующую, герметизирующую, фрикционную или антифрикционную функции и т.п. Способность материалов удовлетворять предъявляемым требованиям выявляется при анализе их свойств, т.е. характеристик, определяющих поведение материала при производстве, а затем функционировании детали в составе изделия или сложной технической системы под действием приложенных внешних и внутренних физических воздействий.

Принятая в машиностроении классификация конструк-ционных материалов приведена на схеме (рис. 2.1).

Рис. 2.1. – Укрупненная классификация конструкционных материалов

В настоящее время разработан и находит применение широкий спектр конструкционных материалов, обладающих той или иной совокупностью свойств. Задача конструктора - выбрать из потенциального множества имеющихся материалов наиболее рациональный, т.е. позволяющий получить максимальное качество при минимальной себестоимости детали и изделия в целом.

Некоторые свойства металлов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Свойства чистых металлов

Металл	Температура плавления (Тплав), 0С	Прочность (σв), МПа	Относительное удлинение (δ), %	Модуль упругости (Е), ГПа	Твердость (НВ), МПа	Коррозионная стойкость	Деформируемость
Медь	1084	225	60	132	-	У	X
Серебро	962	157	65	74,4	25	X	X
Золото	1064	130	50	77	18	X	X
Цинк	419	46-216	84-50	-	-	-	X
Алюминий	660	88-137	12-40	71	25	-	х
Олово	232	27	40	55	7,6	-	X
Свинец	327	14	31	-	4	-	X
Магний	650	107-235	5-16	44	40	-	X
Титан	1668	460	28	108	154	X	У
Хром	1877	412	44	240	-	-	X
Вольфрам	3387	853	12	394	-	-	У
Железо	1530	176-314	25-50	220	-	-	X
X - хорошие показатели; У – удовлетворительные показатели

Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов - цветными. Сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность, называются легкими цветными, на основе меди, свинца, олова - тяжелыми цветными. Сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута относятся к легкоплавким цветным, на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. - к тугоплавким цветным сплавам.

Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворения, перемешивания), так и химического взаимодействия между элементами. При этом возникает множество переходных, промежуточных состояний, в которых наряду с растворами образуются обособленные кристаллы отдельных элементов и их соединений.

Стали.

Стали являются основными конструкционными материалами машиностроения. Из простых углеродистых сталей изготовляют рядовой прокат - балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Качественные низкоуглеродистые стали используют для ответственных сварных конструкций и деталей изделий, упрочняемых цементацией.

Стали с высоким содержанием углерода (0,6-0,85% С) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Их применяют после термообработки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических, вибрационных нагрузок.

Высокопрочные, высоколегированные стали обладают уникальным комплексом свойств: высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, хрупкому и усталостному разрушению в сочетании с хладостойкостью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью и размерной стабильностью. Их используют для высоконагруженных деталей, эксплуатируемых при экстремальных температурах, в агрессивных средах и т.п.

Легированные стали широко применяют для тяжело-нагруженных элементов конструкций машиностроительных изделий.

Низколегированные стали в виде листов сортового и фасонного проката широко используют для сварных конструкций. Применение термически обработанных профилей и листов из низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить до 15-50% металла.

В зависимости от основных свойств, стали и сплавы разделяют на группы:

I - коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.);

II - жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;

III - жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостыо.

Название марок стали состоит из буквенных обозначений элементов и следующих за ними цифр, указывающих среднее содержание элемента в процентах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах (бор, азот, титан). Букву «А» (азот) в конце обозначения марки не ставят.

Название марок сплавов состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением никеля, после которого указываются цифры, обозначающие его среднее содержание в процентах.

Цифры перед буквенным обозначением указывают содержание углерода в стали в десятых долях процента. Цифра впереди не указывается, если количество углерода в стали не ограничено нижним пределом при верхнем пределе 0,09% и более; при содержании углерода до 0,04% впереди буквенного обозначения ставится знак 00; при содержании углерода до 0,08 - знак 0.

Ниже приведены примеры применимости некоторых легированных сталей:

Х18Н10Т применяется для изготовления сварной аппаратуры, работающей со слабоагрессивной средой;

0Х18Н10Т (ЭИ914) рекомендуется для изготовления сварной аппаратуры, работающей в средах более высокой агрессивности при температуре не выше 30°С (водные растворы солей, азотная и некоторые органические кислоты невысоких концентраций, пищевые среды);

Х25Н16Г7АГ - детали газопроводных систем, изготовляемых из тонких листов, ленты, сортового проката;

0Х23Н28М2Т - растворы серной кислоты низких концентраций (до 20%) при температуре не выше 60 ⁰С, фосфорной кислоты, содержащей фтористые соединения.

В зависимости от материала детали работают при температурах от - 253 до +700 °С.

Для изготовления аппаратов применяется сталь, выплавлен-ная в мартеновских и электрических печах, и сталь кислородно-конвертерного производства.

Композиционные материалы.

Это гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них.

При этом:

- состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее;

- компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;

- материал имеет новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих его компонентов;

- материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей; прерывистый, разъединенный в объеме композиции, - армирующим элементом. Понятие «армирующий» означает «введенный в материал с целью изменения его свойств» (не обязательно упрочняющий).

Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

Композиционные материалы обладают таким комплексом свойств, который недостижим в традиционных металлических и полимерных материалах. Они значительно превосходят их по удельной прочности, сопротивлению усталости жаропрочности и другим, физическим и специальным свойствам.