Аносов Ю.М. и др. Основы отраслевых технологий и организации производства

Подождите немного. Документ загружается.

Наибольшее исnользование имеют металли

еские материалы,

а среди них - так называемые черные металлы, т. е. сnлавы на ос

нове железа. Известно,

то nримерно 90 % конструкционных и ин

струментальных материалов изготавливается на основе железа.

Из черных металлов nроизводится около 95 % всей металлоnро

дукции

Относительная стоимость различных металлов по сравнению со

стоимостью железа и е

о сплавов nриведена ниже [4]:

Желе

зо

Тит

ан

160

ец

олиб

ен

170

Ци

нк

еребр

290

Алюмин

ий

6,5

Вана

дий

750

Сурьма

7,5

Тан

ал

800

2,5

Ниий

800

ий

Ру

бидий

2 200

Марг

анец

Палла

дий

5 000

Ни

кель

оло

11 000

Олово

Ре

ий

12 000

ом

ридий

25 000

Кьт

Осмий

25 000

Вис

ут

Пла

ти

на

27 000

Ртуть

дий

45 000

ольф

ам

Прогнозируется, что исnользование неметаллических матери

алов при nроизводстве nромытленных изделий вскоре достигнет

1 О % от объема nотребления м

еталлов и их сnлавов. Таково соот



ношение в структуре nроизводства и nотребления металли

еских

и неметаллических конструкционных материалов.

Чистые металлы (содержание более 99,5 % данно

о элемента)

обы

но обладают низкой nрочностью и зачастую не обесnе

ивают

требуемого уровня физико-механических и технологических свойств.

Поэтому наиболее широко расnространены сплавы разли

ных ме

таллов или металлов с неметаллами.

Сплавами

называют металлические материа

ы, получаемые

расnлавлением двух или нескольких простых веществ с nоследу

ющим кристаллизационным затвердеванием жидко

о раствора.

Все расnлавленные нагреванием металлы и их смеси при охлажде

нии затвердевают nутем образования уnорядо

енной атомно-кри

сталли

еской структуры (решетки). Поэтому основным вещест

вом любо

о сплава, по оnределению, является металл. По этой nри

чине сnлавы часто называют обобщающим словом металлы, имея

в виду,

то сплавы это есть сложные металлические материалы.

Известно и используется более 10 000 различных сплавов. Учиты

вая, что металлические материалы (металлы и сплавы) являются

в промышленном производстве основными предметами труда,

из которых изготавливается разнообразная техника и большинство

других потребительских промтоваров, преобладающее внимание

вполне обоснованно уделено именно этому виду материалов.

3.2. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Для правильного выбора и рационального использования ма

териалов о них необходимы все сведения.

Используемый материал оказывает влияние на конструкци

онное решение изделий; форму и качество изделий; способ изго

товления соединений и монтажа; сопротивление статическому

нагружению и динамическим нагрузкам; долговечность работы

изделий; массу изделия; стоимость продукции.

Выбор и рациональное использование материала

основная

задача, стоящая перед его потребите

м.

Правильный выбор обеспечивает выполнение поставленных

требований (например, заданных технических условий, техники

безопасности и т. д.); наименьшие затраты на собственно матери

ал и на издержки, связанные с его обработкой; высокое качество

(работоспособность) изде

лий

в эксплуатации.

Выбор

проводят в два этапа. Сначала выбирают ряд материа

лов, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям к за

данным физика-механическим, эксплуатационным, технологичес

ким

и другим свойствам и внешнему виду изделия. Затем ме

тодом технико-экономического анализа, с точки зрения мини

мальных затрат при производстве и эксплуатации изделия, при

нимают решение об окончательном выборе материала.

процесс выбора материала учитывают:

- первичные требования, которые задаются, исходя из основ

ных условий слу

бы изделия (например, требования коррозион

ной стойкости);

вторичные требования, которые задаются, исходя из техно

логических условий изготовления (например, требования к сва

риваемости).

При выборе материалов учитываются следующие важнейшие

критерии:

- физические - структура, механические, оптические (напри

мер, цвет), акустические (например, уровень звучания), термичес

кие (например, линейное расширение), электрические (например,

проводимость), магнитные (например, коэрцитивная сила) и дру

гие свойства;

- технологические - первичн получение заготовок, обработка

давлением, резанием, литьем

;

монтаж, нанесение покрытий и т. п.;

- химические - устойчивость против агрессивных сред (напри

мер, кислот), устойчивость против атмосферного влияния и др.;

- биологические - устойчивость по отношению к воздействию

живых организмов (плесени, грибов, насекомых);

связанные с доставкой - возможность доставки, масса, фор

ма и состояние материала;

- экономические - цена, стоимость переработки, транспорт

ные затраты, затраты на обслуживание, дефици·гность;

- экологические

безвредность материала

ля окружающей

среды, возможность утилизации отходов технологичесой обра

ботки.

Освоение и выработка навыков оптимального выбора (назначе

ния

)

конструкционного материала для изготовления того или иного

изделия является одним из важнейших эта

ов в изучении мате

риалов. Правильный выбор конструкционного материала основы

вается на всестороннем, комплексном учете эксплуатационных

требований, заданного ресурса работы, минимальной материалоем

кости

технологичности и окончательной себестоимости изделия.

Требования, предъявляемые I< конструкционным материалам, как

правило, основаны на имеющемся о

ыте создания подобных изде

лий, на результатах экспериментальных определений комплекса

свойств конкретных материалов и элементов конструкций из них,

на

данных, полученных в процессе эксплуа1·а

ии аналогичных

машин, конструкции, оборудования, механизма и т. д.

Эффективность любой технической системы, как одна из ос

новных характеристик качества, показывает соо·ветствие изде

лия целевому назначению, заданному ресурсу, минимальным за

тратам

ри изготовлении и эксплуатации и ·г . д., неразрывно свя

зана с эффективностью к

нстру

циони

ого

материала (материа

лов), из которого изготовлено изделие: деталь, конструкция, меха

низм, машин

а и

др.

Под эффективностью конструкционного материала понимают

способность материала I< работе в заданных условиях применения

при обеспечении наименьшей стоимости изготовленного из него эле

мента конструкции и нормально (надежно) функционирующего в те

чение установленного времени.

Для решения задач конструктореко-технологического характе

ра, т. е. для выбора конструкционного материала и определения

форм и размеров деталей, узлов и т. д., необходимо знание предель

ных состояний и критериев

рочности и долговечности для задан

ного характера действия нагрузок, температур, влияния окружаю

щей среды и других факторов. При этом важно учесть технологич

ность материала: его обрабатываемость пластическим деформиро

ванием и резанием, свариваемость, литейные свойства и др.

сходные данные о материалах берут из справочной литера

туры. Однако, следует учитывать, что для изготовления детали

одного и того же наименования могут быть рекомендованы раз

личные виды и марки материалов. Поэтому при выборе материала

следует исходить из учета конкретных условий работы детали и

требуемых от нее

свойств.

Алгоритм

решения задачи по выбору материала, в зависимости

от его нормируемых (требуемых) свойств, следующий.

. Проводится анализ условий работы и возможных причин

отказа детали

процессе эксплуатации.

ормируются требования

к материалу и намечаются технологические методы удовлетворе

ния

этих требований.

По справочникам или другим информационным источни

кам определяются марки материалов и их упрочняющие обработ

ки, которые обеспечивают требуемый уровень конструкционной

прочности. Требуемые показатели механических свойств имеют

разные

материалы. Поэтому для их оптимального выбора анали

зируют не менее 4-5-ти конкурентоспособных марок материалов.

Подбор, например, сталей, для последующего их сопоставительного

анализа, осуществляют в следующей последовательности. Вначале

находят удовлетворительный материал из числа простых углеро

дистых сталей. Учиты

ая, что прочность стали возрастает с увели

чением в ней количества углерода, но при этом прокаливаемость

мала, подбирают еще и соответствующую требованиям низколе-

гированную сталь. Уже на этом этапе в зависимости от требуе

мых свойств ведут отбор сталей по их характеристикам прокали

наемости д5о• Д95 или д99,9· По мере ужесточения требований по

механическим свойствам отбор сталей

едут с

озрастанием

них содержания легирующих элементов (перлитный или мартен

ситный классы легированных сталей, а также специальные стали:

дисперсионнотвердеющие, мартенситостареющие и др.). В соста

анализируемых марок материалов включают марки, их заменяю

щие. Так поя

ляется необходимый набор возможных для исполь

зования

материалов.

3. Оценивают технологические свойства и производственные

возможности (технологии) изготовления детали.

4. Определяют показатели экономической эффекти

ности ис

пользования сопоставляемых

материалов.

Оценка эффективности конструкционного материала определя

ется по известному критериальному уравнению

С3



См mм +

Спр•

где С3

- себестоимость элемента конструкции (детали);

н -

та

рифная ставка основных производственных работников

;

коэффициент,

читывающий долю дополнительных затрат от ос

новной

заработной платы производственных работников

;

tн - тру

доемкость изготовления данного элемента конструкции, зависящая

от массы

элемента и свойств материала;

См

- удельная стоимость

конструкционного материала или стоимость единицы массы мате

риала данного сортамента;

mм

- масса материала заготовки эле

мента конструкции; Спр - прочие затраты, не зависящие явно от

обрабатываемого материала (стоимость расходуемой энергии, топ

лива, воды и т. д.).

При определении экономической эффективности использования

материала по удельной себестоимости элемента конструкции, т. е.

расчет затрат

приходящихся на единицу массы элемента кон

струкции, производя' по уравнению

з =

Сн

+ См

+ �отх

де

уд

р=

: тз - удельная трудоемкость изготовления элемен

та конструкции;

�о

- коэффициент, учитывающий долю отходов

материала при изготовлении элемента конструкции; тз - масса

элемента конструкции.

Удельная трудоемкость

д.

и удельная стоимость материала

являются основными критериями эффективности конструкци

онного материала.

Решения

конкретных уравнений удельной себестоимости эле

мента конструкции приводят к нахождению оптимальных значе

ний

уд

. т

р и

См o

t·

Критерий

н отражает

технологичность мате



риала и характеризует

лияние физико-механических свойств на

технологические возможности его использования.

При оптимальном выборе материала учитывают степень от

етственности и уровень нагруженности детали. Ответствен·

ные

детали или ответственные элементы онструции - это

те, повреждения которых приводят к разрушению всего изделия

или к аварии, что наносит значительный ущерб людям и окру

жающей среде. Выбранный материал должен обеспечить назна

чаемый коэффициент запаса прочности, зависящий от степени

ответственности и уровня нагруженности рассматриваемого эле

мента конструкции машины, механизма или сооружения.

В инженерной практике при выборе материалов традиционно

используют методы

сопротивления материало

, основанные на оп

ределении номинальных и местных напряжений. Но для наиболее

ответственных

элементов конструкции, работающих обычно

эк

стремальных условиях и при весьма больших нагрузках, выбор кон

струкционного материала, определение запасо

прочности и долговеч

ности осуществляется по критерию предельных нагрузо.

3.3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕР

ОВ

Ст

рутура материала - это название характерного макро

скопического и микроскопического строения вещества.

М арострутурой называют строение металлов и сплавов, ви

димое невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифован

ных и/или протравленных образцах.

Мирострутура - строение металлов и сплавов,

выявляе

мое с помощью микроскопа на шлифованных и (или) протрав

ленных образцах.

Субструтура -

это структура монокристалла или зерна, вы

являемая с помощью электронных микроскопов, увеличивающих

изображение в 1000 и более раз; характеризуется размером и фор

мой

блоi<ов и двойников, распределением и плотностью дислока

ций и других дефектов кристаллического строения.

Материал в целом является системой, а отдельные части этой

структурной �исте

ы, имеющие определенные свойства и физичес

кие границы раздела, называют фазами.

азы образуются исход

ными элементами - называемыми компонентами системы.

Однородный материал, состоящий из одной фазы, относит

ся к

од

офазным, или гомогенным, а материал, образованный не

сколькими фазами -- к многофазным, или гетерогенным. Мате

риал, предс·авляющий собою один большой кристалл, является

монокристаллически.п ; два кристалла - бикристаллически. ;

много кристаллов - поликристаллическим. Промышленные ме

таллы и их сплавы относятся как правило, к полиi<ристалличес

ким. Отдельные кристаллы в структуре этих ма·гериалов называ

ют кристаллитами или зернами. Размер зерен в промышленных

материалах обычно составляет 50-1000 мкм, хотя встречаются

материалы, например магнитные, с неизмеримо большими зерна

(до нескольких сантиметров).

К фазам

в металлических материалах относятся чистые ме

таллы, твердые растворы и химические соединения.

Свойства материалов определяют область их использования

и зависят преимущественно при заданном химическо

составе

от их структуры и внешнего воздействия.

Потребителей, в первую очередь, интересуют

еханические и фи

зика-химические свойства материалов.

Механические свойства оцениваются

пособностью

атериа

ла

сопротивляться механическим нагрузкам, т. е. зависят от его

прочностных и пластических характеристиi<, примсры, которых

приведены ниже:

- сопротивление



азрушению, оцениваемое пределом проч

ности, или временным сопротивлением - это максимальная

удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает матери

ал до разрушения при

го растяжении; обозначается



размер

ность [8] в Па= Нjм

; допускается [

] = кгсjмм

9,8 · 10

Па 

10 МПа;

- сопротивление пластической деформации, оценивае

ое

пред

е

лом текучести, - это напряжение, при котором пластическая де

формация материала при растяжении возрастает при почти

постоянной нагрузке; обозначается 

;

сопротивление упругим деформациям, оцениваемое преде

лом упругости -- это напряжение

выше которого материал при

обретает остаточные деформации; обозначается y;

-- способность пластически деформироваться до разрушения,

оцениваемая относительным удлинением

образца при растяже

нии

и относительным сужением  его поперечного сечения; % ;

- способность сопротивляться динамически

наг

рузкам, оце

нивается ударной вязкостью и обозначается ан или КС, Джjсм

;

- твердость Н - характеризует сопротивление материала про

никновению в него индентора; уел. ед.

Физико-химические свойства связаны со с

особностью мате

риала взаимодействовать с физическими

олями, излучениями,

химически активными средами (например, сопротивление корро

зии, электросопротивление ).

Внешние воздействия оказывают влияние на технологичес

кие и эксплуатационные свойства материалов, которые зависят

не только от химического состава и структуры материала, но и от

условий его технологической обработки и эксплуатации изделия.

При оценке эксплуатационных свойств материалов существен

ное значение имеют комплексные характеристики, определяемые

несколькими параметрами. Примерам комплексной характерис

тики может служить конструктивная пр очность, включающая

набор механических и пластических параметров, или жаропроч

ность, оцениваемая окалипостойкостью и параметрами прочнос

ти при

овышенной температуре.

Многие характеристики материалов прямо или косвенно свя

заны с периодом времени эксплуатации изделия. К примеру, со

противление усталости определяет допустимые напряж

ния,

которые выдерживает материал до разрушения за определенное

число циклов изменения нагрузки; ползучесть связана с дли

тельностью действия нагрузки; химическая стойкость и

износо

стойкость оцениваются по количеству расходуемого материала

за определенное время; радиационная пр очность - временн

стойкостью материалов к радиоактивному излучению. Времен

ной фактор является определяющим при нахождении сопротив

ления коррозии и эрозии.

Некоторые материалы обладают уникальными свойствами,

определяющими специфическую область их использования (ла

зерное вещество, полупроводники, мембраны, биоактивные веще

ства и др.). Появление таких ·обычно сопровождается мощным

подъемом в технике и технологии. Рассмотрим материалы, по

лучившие название интеллектуальных, способных запоминать и

восстанавливать ту форму, которая у них была прежде. Эффект

памяти фо

мы появляется в строго определенном для каждого

сплава интервале темnератур. Суть эффекта можно продемонст

рировать следующим примером.

Например, из проволоки определенного химического соста

ва и при повышенной температуре выгибаем букву М. После

охлаждения до комнатной температуры наше изделие сохраняет

свою

форму. Теперь изменим форму, к примеру растянем и про

извольно изогнем. В результате последующего нагрева деформи

рованная проволока сама по себе восстановит прежнюю форму

(в нашем случае вновь будет форма в виде буквы М).

Одним из материалов с памятью является сплав никелида ти

тана NiTi. Причина проявления эффекта памяти формы в этом

сплаве - термаупругое фазовое (мартенситное) превращение.

В настоящее

ремя обнаружено несколько десятко

интерме

таллических соединений со свойствами памяти формы. Однако

практической деятельности находят применение сплавы на осно

ве никелида титана и алюминида меди. Эти сплавы идут на изго

товление медицинского инструмента для лечения переломов, ско

лиоза - деформации позвоночника, борьбы с тромбами, для полу

чения самосрабатывающих элементов и трансформирующихся

конструкций типа космических антенн, механических и электри

ческих соединений.

Деоративные свойства материалов определяются их внеш

ним видом и за

исят от его наружного рисунка

, текстуры, струк

туры,

способа обработки поверхности, от наличия покрытий и ре

льефов.

Биологичесие свойства материалов определяются:

- их воздействием на окружающую среду, степенью их ток

сичности для жи

ых организмов.

-их пригодностью для существования и развития каких-либо

организмов (грибко

, плесени, насекомых и т. п.).

Пр евра

ения в материалах.

ри изменении термических па

раметров (температуры Т, давления

, концентрации С) в материа

лах наблюдаются изменения структуры и свойст

. Эти превраще

ния происходят: при переходе материала из одного агрегатного

состояния

другое, а также при сохранении агрегатного состояния,

в частности в т

вердом теле.

Движу

ая сила пре

ращений - переход материала в состоя

ние с меньшей

св

ободной энергией

(

по сравнению с пер

оначаль

ным уро

нем).

Виды превра

ений.

1. Переход << жидость-твердое тело>> происходит при полу

чении материала или изделия

утем его затвердевания из жид

кого состояния (выплавка металла, литье,

св

арка, пайка и т. п.):

а) при поиижении Т повышается вязкость жидкости

матери

ал

затвердевает постепенно. Полученное твердое тело представ

ляет собою переохлажденную жидкость с беспорядочным распо

ложением атомов относительно друг друга. Возникает так назы

ваемое

стелообр азно

е с

остояние, характерное для аморфных тел;

б)

кристаллических материалах происходит при определен

ной температуре, называемой температурой (или точой) рис

таллизации, процесс кристаллизации состоит из стадий: зароды

шеобразования и роста кристаллов.

Затв

ердевание технических сплавов часто подчиняется за

и-

симости

d = кe,

где

К е - постоянная затвердевания;

ремя затверде

ания;

толщина затвердевающего слоя.

При затвердевании из-за неодновременной кристаллизации

сего объема спла

а отдельные его части кристаллизуются при

различных температурах, поэтому наблюдается неравномерное

рас

пределение

химического состава по объему слитков

(зональная ли

вация)

и отдельных кристаллов (дендритная

ливация).

При

большой скорости

охлаждения, когда не успевают

образо

ваться зародыши кристаллов, вместо кристаллического

тела мо

жет образоваться аморфное (например, аморфные металлы

2. Переход << газовая фаза-твердая (ристаллиесая)

фаза>>

на

практике часто используют для получения <• усов

(нитевидных

кристаллов)

и эпитаксиальных пленок (в полупроводниково

м про

изводстве). Рост кристаллических тонких пластин

(

пленок) про

исходит за счет осаждения атомов из газовой (паровой)

сре

ды на подложку; �усы

получаются из пара, а также могут

быть

получены

из раствора или твердой фазы. <•

У сьн практически не

содержат дислокаций, поэтому они весьма прочны: такая нить се

чением в

мм

может удержать вес легкового автомобиля

(длина

<• усоВ>> в среднем 10 мм, диаметр 10 мкм). Материаловеды

стремят

ся получить такие <• усьi

и композиционные материалы с их

вклю

чениями больших размеров.

ревра

ения в твердом состоянии сопровождаются

обра

зованием новых фаз и происходят по 2-м механизмам:

а) диффузионный механизм:

- атомы перемещаются на большие расстояния

(больше па

раметра решетки);

скорость иревращения

определяется скоростью

диффузии и

зависит

от температуры (чем выше температура,

тем больше ско

рость превращения).

б) сдвигавый

( мартенситный) механизм:

- атомы пе

емещаются на малые расстояния

- меньше пара

метра решетки;

происходит путем кооперированного перемещения группы

атомов;

большая скорость превращения, равная скорости звука в ма



териале;

когерентное (упорядоченное) сопряжение границ мат

рицы

и новой фазы.

4. Струтурные превращения в д

формированных материа

лах при их нагреве.

В результате пластической деформации в материалах накап

ливается дополнительная свободная энергия, заключенная в гра

ницах блоков и зерен раздробленной структуры, в точечных и ли

нейных дефектах повышенной плотности. Внешне это выражает

ся в повышении твердости и прочности материала, снижении

пластичности, электропроводности и коррозионной стойкости,

комплекс этих явлений называют наклепом металла. При нагре

ве дополнительная свободная энергия освобождается, так как из

за повышенной температуры атомы активизируются и приобре

тают

способность перемещаться по объему нагреваемого тела.

Перемещение атомов происходит по диффузионному механизму.

При нагреве деформированных кристаллических тел, в частности,

металлов, освобождение накопленной энергии происходит в два

этап

а:

- возврат состоит из двух стадий -отды

ха и полигонизации

- реристаллизация подразделяется на первичную, собира

тельную и вторичную.

На стадии отдыха наблюдается сток точечных дефектов, умень

шается их плотность; на стадии

олигонизации - перестройка

дислокационной структуры, уменьшается уровень остаточных

напряжений. На стадии первичной рекристаллизации

олигони

зованные блоки превращаются в новые зерна, которые на стадии

собирательной рекристаллизации увеличиваются в размерах (мел

кие зерна объединяются в более крупные за сче

т уменьшения

свободной энергии границ зерен). Вторичная рекристаллизация

происходит в тонких листах за счет роста зерен с меньшей сво

бодной энергией их поверхности.

Пове

рхностные явления в материалах. На поверхности мате

иалов наблюдаются различного рода физические, химические и ме

ханические явления. Причины этих явлений и скорость их про

текания в основном зависят от поверхностной энергии, под кото

рой подразумевается избыток потенциальной энергии в поверх

ностных слоях. Поверхностная энергия изменяет свойства по

верхностного слоя изделия: повышает физическую активность

поверхности, т. е. способствует адгезии, заключающейся в повы

шенной концентрации возле поверхности элементов и веществ,

находящихся в окружающей среде; усиливает химическую ак

тивность, т. е. оказывает каталитическое действие. С состоянием

поверхности связаны такие явления, как износ (абразивное или

контактное истирание), эр озия (выветривание), оррозия. Под кор

розией понимается процесс разрушения материалов под воздей

ствием внешней среды. Процесс имеет электрохимическ

ю при

роду, скорость его определяется разницей в электрохимических

потенциалах контактируемых тел (фаз). Для защиты от корро

зии используется ряд

одходов: повышение электрохимического

потенциала

материала за счет его легирования элементами с вы

соким электрохимическим

отенциалом или за сч

ет подключе

ния

изделия к положительному полюсу генератора постоянного

тока

;

введение в электрохимический процесс вещества (элемен

та) с меньшим электрохимическим потенциалом - пр отетор



ная

защита (например, стальной гребной винт морского судна

образует электрохимическую цепь с листом из цинка, который

будет разрушаться от коррозии в морской воде, уменьшая разру

шение винта); всевозможные

окрытия, наносимые гальваническим

путем (хромирование}, окислением (оксидирование}, воздействием

кислот (фосфатирование}, лужением, распылением, покраской.

Величина

оверхностной энергии зависит от химичесi<ого со

става материала, рельефа поверхности, кристаллографической

ориентировки зерен в поликристалле и других факторов.