Машиностроительные материалы

С помощью знаний, которые накопили многочисленные ученые, занимавшиеся тщательным изучением различных металлов, сплавов, их свойств и особенностей, появилась возможность создавать такие материалы, которые отличаются поистине уникальными свойствами. Они сейчас широко используются при производстве современных машин и оборудования, летательных аппаратов, исследующих космическое пространство и т.п.

Следует заметить, что в химически чистом виде металлы в машиностроении практически не применяются, а используются преимущественно их сплавы. Все они подразделяются на черные и цветные. К черным принято относить железо, а также различные его сплавы с углеродом (чаще всего – с добавление некоторых других химических элементов, называющихся в том случае легирующими), а к цветным – алюминий, медь, олово, свинец и их сплавы.

Одной из причин широкого применения в машиностроении сплавов является то, что процесс получения чистых металлов весьма дорогой и трудоемкий. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев сплавы обладают гораздо лучшими характеристиками, чем натуральные металлы в чистом виде. Например, прочность стали существенно выше, чем прочность железа, бронзы и латуни – выше, чем меди, а дюралюминия – чем чистого алюминия. Одним из важных свойств сплавов является пластичность, то есть их свойство деформироваться под воздействием внешних сил, при этом не разрушаясь.

В природе насчитывается несколько десятков металлов, из которых современной промышленностью выпускаются десятки тысяч самых разнообразных сплавов. Их ассортимент и номенклатура постоянно растут, причем некоторые сплавы становятся все более и более популярными, а некоторые перестают использоваться в технике совсем.

Для того чтобы составить более-менее определенную картину того, какими же сплавы бывают в принципе, необходимо составить их классификацию. На сегодняшний день единого их подразделения по типам и видам не существует, однако есть градация по некоторым важным признакам. Самая простая и наиболее очевидная из них основывается на содержании главного компонента. Согласно ей все выделяют:

В принципе, этот список ни в коей мере не может быть исчерпывающим, поскольку в него вполне можно включить и все другие металлы, которые есть в таблице Менделеева. На практике железо и его сплавы с углеродом принято называть черными металлами, а отрасль промышленности, которая занимается их производством – черной металлургией. Кроме того, к категории черных металлов относят также марганец, хром, причем по той простой причине, что они в весьма значительных количествах используются именно в черной металлургии в качестве легирующих, реагирующих и раскисляющих элементов при выплавке различных марок сталей и чугунов.

Все другие металлы и их сплавы принято причислять к цветным, а та отрасль металлургии, которая их выпускает, именуется цветной металлургией.

Если металлы и их сплавы классифицировать по такому признаку, как назначение, то их можно подразделить на конструкционные и инструментальные. Конструкционные металлы и сплавы предназначены для того, чтобы с их помощью изготавливать различные детали машин, приборов и механизмов, такие как, например: валы, станины, шестерни, пружины, рычаги, шатуны, сердечники, храповики, обмотки электрических машин и трансформаторов и т.п. В практической деятельности конструктивные металлы и сплавы нередко именуются машиностроительными.

Инструментальные сплавы используются для изготовления различных инструментов, таких, как фрезы, резцы, сверла, метчики, плашки, штампы, молотки, а также разнообразные мерительные инструменты (например, скобы и калибры).

Существует и довольно широко применяется также классификация металлов и сплавов на основе такого признака, как технология получения заготовок из них. В этом отношении все материалы делятся на простые и пригодные для прокатки и ковки (деформируемые). Основным свойством последних является пластичность, то есть способность принимать различную форму, не меняя свою структуру, под влиянием различных механических воздействий. К деформируемым металлам и сплавам относится сталь, дуралюмины, латуни и некоторые марки бронзы. Все остальные сплавы относятся к категории литейных, и из них изготавливают различного рода отливки. Основными свойствами этих сплавов являются небольшая линейная и объемная усадка, высокая текучесть. К наиболее типичным и широко используемым в машиностроении литейным сплавам относятся оловянная бронза, силумины и чугуны. Есть целая категория сплавов, которые являются одновременно и литейными, и деформируемыми (некоторые бронзы и латуни, а также отдельные вида сталей).

Любой сплав состоит из так называемых нужных и ненужных составных частей. Нужными являются те из них, без которых сплав просто не будет иметь ценных свойств, и они называются компонентами. Что касается ненужных составных частей, то их принято называть примесями. В процессе производства различных сплавов компоненты вводятся в них совершенно намеренно и целенаправленно, а что касается примесей, то они – ни что иное, как неизбежно попадающие в готовые продукты элементы шихты, футеровки, топлива и т.п.

Механические свойства металлов и сплавов

Возможность практического использования металлов и их сплавов в различных конструкциях на практике определяется их механическими свойствами. К таковым относятся:

Под деформацией подразумевается способность металлов и сплавов изменять свою форму и размеры в результате воздействия на них различных сил. Различают пластические и упругие деформации, причем первые отличаются от вторых тем, что материал сохраняет измененную форму и после того, как на него перестают воздействовать посторонние силы.

Что касается напряжения, то оно представляет собой соотношение нормальной силы к площади поперечного сечения, и выражается в МПа ( кгс / мм² ). Под прочностью материала понимается его способность противостоять разрушению и пластическим деформациям, а под пределом прочности на растяжение – та наименьшая величина напряжения, при котором без заметного увеличения нагрузки происходит деформация растягиваемого образца.

Предел текучести составляет обычно около 40%-90% предела прочности на разрыв, а предел прочности при изгибе – это максимальное напряжение, которое определяется во время изгиба образца с помощью пресса.

Под пластичностью подразумевается способность материала деформироваться пластически без его разрушения, а под ударной вязкостью – способность без разрушения выдерживать ударные нагрузки. Твердость – это способность материала сопротивляться вдавливанию в его твердого тела, а износостойкость – противостоять разрушению под воздействием трения.