3.7. Материалы, применяемые в машиностроении

Укрупненная классификация конструкционных материалов.

Любое машиностроительное изделие, 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. 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. Принятая в машиностроении классификация конструкционных материалов приведена на схеме (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Укрупненная классификация конструкционных материалов

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. 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. Разнообразие состава типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обусловливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойств. 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.

Неметаллические материалы. Это неорганические и органические полимерные материалы, пластмассы, композиционные материалы (на неметаллической основе), графит, стекло, керамика, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия.

Пластмассами называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения, содержащие или не содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты.

Простые пластмассы — это полимеры без добавок. К ним, например, относятся полиэтилен, полистирол. Сложные пластмассы — это полимеры с различными добавками (наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами, отвердителями, красителями и др.). Наполнители (порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные и т.п.) в основном определяют свойства пластмасс — их прочность, интервал рабочих температур, коэффициент трения и др. Они располагаются в полимерной матрице (дисперсионной среде) и не образуют непрерывной фазы. Физически пластмассы с наполнителями представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами. Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40—70%.

Пластификаторы — это вещества, повышающие пластичность, морозостойкость и облегчающие обработку пластмасс, например стеарин, олеиновая кислота, дибутилфталат. Содержание пластификатора в составе колеблется в пределах 10—20%.

Стабилизаторы — вещества, добавляемые в пластмассу для повышения стабильности свойств при длительном хранении и эксплуатации изделий.

Отвердители — вещества, способствующие переходу некоторых видов пластмасс в химически необратимое термостабильное состояние. Их вводят в состав в количестве нескольких процентов.

Примерно 90% общего производства пластмасс приходится на следующие группы: полиэтилены низкой и высокой плотности, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола, полиакрилаты, полиацетали, полиамиды, простые и сложные полиэфиры, полисульфоны, фено- и аминопласты, полиэпоксиды и кремнийорганические полимеры.

Кроме твердофазных существуют газофазные наполнители. Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из твердой фазы — связующего, и газообразной фазы — наполнителя. В зависимости от макроструктуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты и поропласты. В пенопластах полимерная основа образует систему замкнутых изолированных ячеек, заполненных газом. Это жесткие материалы с плотностью 20—300 кг/м3. Замкнутая ячеистая структура придает им хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий — от 0,003—0,007 Вт/(м-К). В поропластах полимерная основа образует систему ячеек с частично разрушенными перегородками, которые сообщаются между собой. Газообразная фаза в такой системе может циркулировать. Эти материалы эластичны, их плотность составляет 25—45 кг/м3. Получают поропласты, вводя в состав композиций вещества, способные выкипать при нагреве или вымываться водой, что и приводит к образованию пор. Поропласты отличаются высокой способностью поглощать звуки (70—80%) на технических частотах.

Полимерами называют высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т.д. Главная особенность полимеров заключается в специфическом — цепном — строении молекул, состоящих из многократно повторяющихся структурных группировок — звеньев. Звенья представляют собой низкомолекулярные вещества — мономеры, молекулы которых способны в определенных условиях к последовательному соединению друг с другом в результате химической реакции синтеза. Таким образом, между собой звенья соединены в цепи химическими связями. Форма макромолекул полимеров может быть линейной, разветвленной и пространственной. Соответственно полимеры с той или иной физической организацией макромолекул называются линейными, разветвленными или сетчатыми. Физическая организация макромолекул формирует важнейшие понятия, определяющие доминантные особенности полимеров, а именно термопластичность и термореактивность.

Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. При нагревании до температуры плавления физические связи исчезают, а химические — ковалентные — сохраняются и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера. При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства вещества восстанавливаются. Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, изделия, утратившие потребительскую ценность, брак.

Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, т.е. химическими, связями. Такая сетчатая химическая структура необратима. Нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся деструкцией. С практической точки зрения это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формируются в результате химической реакции отверждения. Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются.

Композиционные материалы (КМ). 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.

Классифицируют КМ по следующим основным признакам: материалу матрицы и армирующих элементов, геометрии компонентов, структуре и расположению компонентов, методу получения. Общее название, как правило, происходит от материала матрицы. КМ с металлической матрицей называют металлическими КМ, с полимерной — ПКМ, с неорганической — неорганическими КМ. Материалы, содержащие два и более различных по составу или природе матричных материала, называют полиматричными. Характеристика КМ по материалу матрицы и армирующих элементов указывает на их природу. Название полимерных КМ состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал волокна, вторая часть — слово «пластик» или «волокнит». Например, материалы, армированные стекловолокном, называются стеклопластиками или стекло волокнитами; металлическими волокнами — металлопластиками (металловолокнитами); органическими волокнами — органопластиками; углеродным волокном — углепластиками (углеволокнитами) и т.д. В соответствии с геометрией армирующих элементов КМ делятся на порошковые (гранулированные), волокнистые и пластинчатые.

К первой группе относятся КМ типа псевдосплавов и другие композиции, получаемые из смесей различных порошков. Ко второй — КМ, армированные непрерывными и дискретными волокнами. К третьей — непрерывными и дискретными пластинами (например, слоистые КМ, представляющие собой набор из чередующихся листов фольги из стали, алюминия и титана). Максимальный размер дискретных волокон и пластин в материалах второй и третьей групп соизмерим с характерным размером образца КМ.

В соответствии с классификацией по структуре и расположению компонентов КМ разделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой. К материалам с каркасной структурой относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки, с матричной — армированные КМ, со слоистой — композиции, полученные из набора чередующихся листов различной природы или состава, с комбинированной — материалы, содержащие комбинации первых трех групп.

Композиты с матричной структурой могут быть армированы элементами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами). В этом случае материал является изотропным или квазиизотропным. Если армирующие элементы ориентированы в пространстве определенным образом, то КМ относятся к упорядоченно-армированным. Они подразделяются на одноосно-армированные или однонаправленные (с расположением волокон вдоль одной оси), двухосно-армированные (с плоскостным расположением арматуры) и трехосно-армированные (с объемным расположением арматуры).

В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности. Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В этом случае при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически нерастворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации. Высокая прочность достигается при размере частиц 10—500 нм при среднем расстоянии между ними 100—500 нм и равномерном распределении в матрице. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5—10% объема. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

На рис. 3.12 приведены схемы структуры композиционных материалов. Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу (рис. 3.13, а; 3.14). Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры (рис. 3.13, б, в).

а б в

Рис. 3.12. Схемы структуры композиционных материалов:

а — с дисперсными частицами; б — прерывистыми волокнами; в — непрерывными волокнами

В композиционных материалах с неметаллической матрицей используют полимерные, углеродные и керамические материалы.

а б в

Рис. 3.13. Плетеные композиционные материалы:

а — с тканевой структурой; б, в — пространственной структурой

Рис. 3.14. Образцы композиционных тканей с разной структурой

Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Углеродные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат: стеклянные, углеродные, борные, органические волокна на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.).

Свойства КМ зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Помимо приведенных схем классификации из-за разнообразия КМ существуют иные классификационные признаки.

Порошковые материалы. Это материалы, изготовляемые путем прессования порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего их спекания. Методами порошковой металлургии получают металлические, металлокерамические и минералокерамические материалы.

Керамика — это материал, полученный путем спекания порошков исходных веществ или материалов на их основе при температурах существенно ниже температуры их плавления (размягчения, разложения или сублимации).

Промышленность выпускает различные металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, ниобиевый, титановый и др. Основой изготовления металлокерамических твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения.

Для минералокерамики используют, как правило, ультра дисперсные порошки карбидов (SiC, B₄C), оксидов (Al₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, SrO, Ce₂O₃), нитридов (AlN, Si₃N₄, BN, TiN₂) и других веществ (Mg₂SiO₄, MgAl₂O₄), характеризующихся наиболее высокими температурами плавления, модулями упругости, химической стабильностью и высокотемпературной прочностью. Например, керамика, полученная из упрочненного диоксида циркония или плотно спеченного карбида кремния, имеет при температуре до 2000 К предел прочности при изгибе до 2200 МПа.

Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Компактными называют материалы, в которых после окончательной обработки остаточная пористость составляет не более 3—5%. Их используют главным образом для изготовления деталей, воспринимающих силовые, тепловые и иные нагрузки. Как правило, эти детали выполняют из компонентов, которые обычными методами металлургии получить невозможно.

Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется 10—40% остаточной пористости (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Микрофотографии высокопористых материалов

Вопросы и задания для самопроверки

1. Схематично представьте укрупненная классификация конструкционных материалов.

2. Дайте краткую характеристику металлов и сплавов. Какие сплавы относят к черным, какие – к цветным? Какие цветные сплавы относят к легким, тяжелым легкоплавким и тугоплавким?

3. Приведите примеры неметаллических конструкционных материалов. Что такое простые и сложные пластмассы? Назначение пластификаторов, стабилизаторов и отвердителей.

4. Дайте определение понятию «полимеры». Что такое термопласты и термореактивные полимеры?

5. Что такое композиционные материалы? По каким признакам классифицируют композиционные материалы? Дайте понятие матрицы и армирующих элементов.

6. Опишите структуру дисперсно-упрочненных композитов и композиционные материалы с волокнистым наполнителем.

7. Порошковые материалы. Приведите примеры металлических порошков, выпускаемых промышленностью. Пористые и компактные порошковые материалы. Керамика.