книги из ГПНТБ / Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов

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

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

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

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