Строительные конструкции: классификация, свойства, применение, требования

Строительные конструкции.

По функциональному назначению строительные конструкции подразделяются на несущие и ограждающие. Существуют также такие конструкции, как арки, фермы или рамы. Они являются несущими. А такие строительные конструкции как панели для стен, оболочки, своды соединяют в себе и ограждающие и несущие функции.

Типы и виды строительных конструкций.

Несущие строительные конструкции в зависимости от расчетной схемы делятся на плоские (балки, фермы, рамы и др.) и пространственные (оболочки, своды, купола и др.). Пространственные строительные конструкции обладают более выгодным распределением усилий, в сравнении с плоскими конструкциями. Это, в свою очередь, требует меньшего расхода материалов, однако сборка и производство таких строительных конструкций является крайне трудоемким. На сегодняшний день появились новые типы пространственных конструкций – структурные конструкции, изготовленные из прокатных профилей, закрепленных болтовыми соединениями. Такой тип строительной конструкции обладает простотой изготовления и монтажа, экономичностью.

Строительные конструкции по виду материала бывают:

Это наиболее встречающиеся виды строительных конструкций на данный момент.

Современное строительство применяет железобетон в виде сборных конструкций. Сфера применения таких конструкций: строительство жилых, производственных зданий, различных сооружений. Целесообразное применение монолитного железобетона — это различные гидротехнические постройки, покрытия дорог, аэродромов, строительство фундаментов под промышленное оборудование, всевозможные резервуары, элеваторы и т. п.

При возведении сооружений, которые эксплуатируются в условиях агрессивной внешней среды или особых климатических условиях (например, повышенная температура, влажность), используют специальные виды бетона и железобетона. К примеру такими сооружениями являются тепловые агрегаты, здания химической промышленности и другие.

В железобетонных строительных конструкциях за счет использования особо прочных бетонов, арматуры, увеличения изготовления напряженных конструкций допустимо уменьшение массы конструкции, понижение цены и расхода материалов, увеличение сфер применения лёгких и ячеистых бетонов.

Области применения строительных конструкций.

Сфера применения стальных строительных конструкций иногда совпадает с использованием железобетонных конструкций. Это, в частности, каркасы большепролетных зданий, цеха с тяжелым и громоздким оборудованием, промышленные резервуары больших емкостей, мосты и др. Выбор типа строительной конструкции зависит от его стоимости, района строительства, расположения предприятия. Главное преимущество стальных строительных конструкций от железобетонных – малая масса. Это позволяет применять данные конструкции в малодоступных районах: на Крайнем Севере, в районах с повышенной сейсмической активностью, пустынных, горных районах и т. д.

Создание продуктивных объемных конструкций (из тонколистовой стали), увеличение объемов применения сталей высокой прочности и экономичных профилей проката сделают возможным уменьшить вес зданий и сооружений.

Главная область применения каменных строительных конструкций – возведение стен и перегородок. Архитектурные сооружения и здания из кирпича, мелких блоков и природного камня меньше соответствуют требованиям промышленного строительства, чем крупнопанельные здания, поэтому их доля во всех объемах строительства, падает.

В строительстве также применяют клееные деревянные конструкции двух видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции состоят из нескольких слоев древесины и склеены между собой. Зачастую их усиливают путем вставления арматуры.

Изготовление клееных деревянных конструкций осуществляется в заводских условиях, все процессы производятся механическим путем

Основная тенденция в изменении деревянных конструкций – это переход к строительным конструкциям из клееной древесины. Допустимость промышленного изготовления и получения элементов определенной конструкции нужных размеров с помощью их склеивания дает преимущества в сравнении с деревянными конструкциями других типов. Клееные строительные конструкции находят широкое применение в сельскохозяйственном строительстве.

В тенденциях современного строительства широкое распространение получают новые виды промышленных строительных конструкций: асбестоцементные, пневматические, конструкции из легких сплавов. Достоинствами данных конструкций являются: низкая удельная масса, возможность заводского изготовления на механических поточных линиях. Более легкие трехслойные панели начинают применяться как ограждающие конструкции вместо тяжелых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

Требования, предъявляемые к строительным конструкциям.

По соображениям требований эксплуатации, строительные конструкции должны быть огнеустойчивыми, коррозиестойкими, удобными, экономичными и безопасными в использовании. С увеличением масштабов и темпов строительства к строительным конструкциям предъявляют требования их изготовления в заводских условиях, конструкции должны быть экономными по стоимости и оптимальными по расходу материалов, удобными при транспортировке и отличаться быстротой и простотой сборки на объекте строительства.

Большое значение уделяется снижению трудоемкости, как при изготовлении строительных конструкций, так и в процессе сооружения из них зданий.

Важной задачей современного строительства является уменьшение массы строительных конструкций за счет применения легких производительных материалов и развитии различных конструктивных решений.

Расчет строительных конструкций.

Строительные конструкции при проектировании рассчитываются на прочность, устойчивость и колебания. При расчете учитываются воздействия сил, которым подвергаются конструкции при эксплуатации: собственный вес, внешние нагрузки, влияние температурных факторов, смещение опор конструкции, усилия, которые появляются при транспортировке и установке строительных конструкций.

Основные строительные конструкции зданий и сооружений, их виды и функциональное назначение

Основные строительные конструкции зданий и сооружений, их виды и функциональное назначение.

Строительные конструкции, несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений.

Классификация и области применения. Разделение строительных конструкций по функциональному назначению на несущие и ограждающие в значительной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фермы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т.п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важнейших тенденций развития современных строительных конструкций.В зависимости от расчётной схемы несущие строительные конструкции подразделяют на плоские (например, балки, фермы, рамы) и пространственные (оболочки, своды, купола и т.п.). Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов; однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоёмкими. Новые типы пространственных конструкций, например структурные конструкции из прокатных профилей на болтовых соединениях, отличаются как экономичностью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы строительных конструкций: бетонные и железобетонные.

Бетонные и железобетонные конструкции — наиболее распространённые (как по объёму, так и по областям применения). Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения чёрной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Уменьшение массы, снижение стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях возможны на основе использования высокопрочных бетонов и арматуры, роста производства предварительно напряженных конструкций, расширения областей применения лёгких и ячеистых бетонов.

Читайте также:
Термическая обработка стали: задачи, эффекты, применение

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролётных зданий и сооружений, для цехов с тяжёлым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой ёмкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области применения стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. Существенное преимущество стальных конструкций (по сравнению с железобетонными) — их меньшая масса.

Требования, предъявляемые к строительным конструкциям. С точки зрения эксплуатационных требований С. К. должны отвечать своему назначению, быть огнестойкими и коррозиеустойчивыми, безопасными, удобными и экономичными в эксплуатации.

Расчёт С. К. Строительные конструкции должны быть рассчитаны на прочность, устойчивость и колебания. При этом учитываются силовые воздействия, которым конструкции подвергаются при эксплуатации (внешние нагрузки, собственный вес), влияние температуры, усадки, смещения опор и т.д. а также усилия, возникающие при транспортировке и монтаже строительных конструкций.

Фундаменты зданий и сооружений – части зданий и сооружений (преимущественно подземные), которые служат для передачи нагрузок от зданий (сооружений) на естественное или искусственное основание. Стена здания – основная ограждающая конструкция здания. Наряду с ограждающими функциями стены одновременно в той или иной степени выполняют и несущие функции (служат опорами для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Каркас (франц. carcasse, от итал. carcassa) в технике – остов (скелет) какого-либо изделия, конструктивного элемента, целого здания или сооружения, состоящий из отдельных скрепленных между собой стержней. Каркас выполняется из дерева, металла, железобетона и др. материалов. Он определяет собой прочность, устойчивость, долговечность, форму изделия или сооружения. Прочность и устойчивость обеспечиваются жёстким скреплением стержней в узлах сопряжения или шарнирного соединения и специальными элементами жёсткости, которые придают изделию или сооружению геометрически неизменяемую форму. Увеличение жёсткости каркаса нередко достигается включением в работу оболочки, обшивки или стенок изделия или сооружения.

Перекрытия – горизонтальные несущие и ограждающие конструкции. Они воспринимают вертикальные и горизонтальные силовые воздействия и передают их на несущие стены или каркас. Перекрытия обеспечивают тепло- и звукоизоляцию помещений.

Полы в жилых и общественных зданиях должны удовлетворять требованиям прочности и сопротивляемости износу, достаточной эластичности и бесшумности, удобства уборки. Конструкция пола зависит от назначения и характера помещений, где он устраивается.

Крыша – наружная несущая и ограждающая конструкция здания, которая воспринимает вертикальные (в том числе снеговые) и горизонтальные нагрузки и воздействия. (Ветер – нагрузка.

Лестницы в зданиях служат для вертикальной связи помещений, находящихся на разных уровнях. Расположение, число лестниц в здании и их размеры зависят от принятого архитектурно-планировочного решения, этажности, интенсивности людского потока, а также требований пожарной безопасности.

Окна устраиваются для освещения и проветривания (вентиляции) помещений и состоят из оконных проемов, рам или коробок и заполнения проемов, называемого оконными переплетами.

Вопрос №12. Поведение зданий и сооружений в условиях пожара, их огнестойкость и пожарная опасность.

Нагрузки и воздействия которым, подвергается здание в нормальных условиях эксплуатации, учитывают при расчете прочности строительных конструкций. Однако при пожарах возникают дополнительные нагрузки и воздействия, которые во многих случаях приводят к разрушению отдельных конструкций и зданий в целом. К неблагоприятным факторам относится: высокая температура, давление газов и продуктов горения, динамические нагрузки от падающих обломков обрушившихся элементов здания и пролитой воды, резкие колебания температур. Способность конструкции сохранять свои функции (несущие, ограждающие) в условиях пожара сопротивляться воздействию огня называется огнестойкостью строительной конструкции.

Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью.

Показателем огнестойкости является предел огнестойкости, пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности.

Строительные конструкции зданий, сооружений и строений в зависимости от их способности сопротивляться воздействию пожара и распространению его опасных факторов в условиях стандартных испытаний подразделяются на строительные конструкции со следующими пределами огнестойкости.

– ненормируемый;- не менее 15 мин;- не менее 30 мин;-не менее 45 мин;- не менее 60 мин;-не менее 90 мин;- не менее 120 мин;- не менее 180 мин;- не менее 360 мин.

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:потери несущей способности (R);потери целостности (Е);потери теплоизолирующей способности (I.

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247. При этом предел огнестойкости окон устанавливается только по времени наступления потери целостности (Е.

По пожарной опасности строительные конструкции подразделяются на четыре класса: КО (непожароопасные); К1 (малопожароопасные); К2 (умереннопожароопасные);КЗ (пожароопасные.

Вопрос№ 13. Металлические конструкции и их поведение в условиях пожара, способы повышения огнестойкости конструкций.

Хотя металлические конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 минут. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара. Интенсивность нагрева МК (металлической конструкции) зависит от ряда факторов, к которым относятся характер нагрева конструкций и способы их защиты. В случае кратковременного действия температуры при реальном пожаре, после воспламенения горючих материалов металл подвергается нагреву более медленно и менее интенсивно, чем нагрев окружающей среды. При действии «стандартного» режима пожара температура окружающей среды не перестает повышаться и тепловая инерция металла, обуславливающая некоторую задержку нагрева, наблюдается только в течение первых минут пожара. Затем температура металла приближается к температуре нагревающей среды. Защита металлического элемента и эффективность этой защиты также влияют на нагрев металла.

При действии на балку высоких температур при пожаре сечение конструкции быстро прогревается до одинаковой температуры. При этом снижается предел текучести и модуль упругости. Обрушение прокатных балок наблюдается в сечении, где действует максимальный изгибающий момент.

Воздействие температуры пожара на ферму приводит к исчерпанию несущей способности ее элементов и узловых соединений этих элементов. Потеря несущей способности в результате снижения прочности металла характерна для растянутых и сжатых элементов поясов и решетки конструкции.

Читайте также:
Конструкционные материалы: определение, характеристики и применение

Исчерпание несущей способности стальных колонн, находящихся в условиях пожара, может наступить в результате потери: прочности стержнем конструкции; прочности или устойчивости элементами соединительной решетки, а также узлов крепления этих элементов к ветвям колонны; устойчивости отдельными ветвями на участках между узлами соединительной решетки; общей устойчивости колонны.

Поведение в условиях пожара арок и рам зависит от статической схемы работы конструкции, а также конструкции сечения этих элементов.

Способы повышения огнестойкости.

· облицовка из негорючих материалов(обетонирование, облицовка из кирпича, теплоизолюционных плит, гипсокартонными листами, штукатурка.

· огнезащитные покрытия (невспучивающиеся и вспучивающиеся покрытия.

· подвесные потолки (между конструкцией и потолком создается воздушный зазор, который повышает ее предел огнестойкости.

Предельное состояние металлической конструкции: =R n * tem.

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы — это материалы, отличающиеся повышенной конструкционной прочностьюРазличают металлические, неметаллические и композиционные конструкционные материалы. Металлические конструкционные материалы подразделяют:

  • по технологическому принципу (литейные, спеченные и др.);
  • по условиям эксплуатации (жаропрочные, криогенные и др.);
  • по составу (сплавы алюминия, титана и т. п.);
  • по структурному состоянию (стали аустенитные, ферритные и др.);
  • по типу упрочнения (дисперсионно-твердеющие, дисперсноупрочненные и др.).

К неметаллическим конструкционным материалам относят пластмассы, стекла, керамику, огнеупоры и др. К композиционным конструкционным материалам относят металлы и пластики, упрочненные волокнами и др.

1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Детали машин и конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров и в процессе эксплуатации подвергаются различным воздействиям. В связи с этим важным этапом разработки оптимального конструкторского решения изделия является выбор конструкционного материала, отвечающего определенным критериям.

Детали машин работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в заданных условиях эксплуатации.

Условия эксплуатации определяются рабочей средой (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная и др.), которая может негативно влиять на механические свойства материала. В результате химического и теплового воздействий она может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины и др. Для того, чтобы избежать отрицательного воздействия рабочей среды, материал должен обладать не только механическими, но и требуемыми физикохимическими свойствами (стойкостью к коррозии, жаростойкостью и т. д.). Температурный диапазон работы современных материалов достаточно широк, поэтому для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре — хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости, а также простоты изготовления деталей и конструкций. Они оцениваются технологичностью материала, определяемой хорошей обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также требуемой прокаливаемостью и отсутствием деформации и коробления при термической обработке. Технологичность материала определяет, в конечном итоге, производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел низкую стоимость, был доступным, но при этом обеспечивал сохранение или повышение эксплуатационных свойств деталей.

2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность материала — это комплексная характеристика, объединяющая критерии прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала зависят от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление σв и предел текучести σ0,2т)характеризующие сопротивление материала пластической деформации.

Если материал в процессе эксплуатации испытывает длительные циклические нагрузки, то критерием его прочности является предел выносливости σR (при симметричном круговом изгибе σ-1).

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.

Критерий жесткости характеризует способность материала сопротивляться деформациям. Именно этот критерий (а не критерий прочности) определяет размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых в процессе эксплуатации требуется сохранение точных размеров и формы.

Для ограничения упругой деформации материал этих деталей должен обладать высоким модулем упругости, являющимся его критерием жесткости.

В свою очередь, для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов машин и приборов, наоборот, важно обеспечить наибольшие упругие деформации. Для материалов таких изделий критерий жесткости характеризуется высоким пределом упругости и низким модулем упругости.

Надежность — свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным, поскольку происходит при напряжениях ниже расчетных и протекает с большой скоростью.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ, Ψ) и ударной вязкостью ()Однако эти критерии надежности определяются на небольших образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали и являются достаточными лишь для мягких малопрочных материалов. Однако для менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению необходимо учитывать дополнительные факторы, влияющие на пластичность и вязкость, и увеличивающие вероятность хрупкого разрушения.

Это наличие концентраторов напряжений (надрезов), низкие температуры, динамические нагрузки и большие размеры деталей (масштабный фактор).

Поэтому для предотвращения внезапных поломок деталей в процессе эксплуатации необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость — группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механикой разрушения . В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины, которые возникают из трещиноподобных дефектов, имеющихся в исходном материале (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. п.), в процессе изготовления детали при сварке или термической обработке, а также в процессе эксплуатации машины или изделия. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых, могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 1).

Читайте также:
Строительные стали: классификация, свойства, марки

Для трещины длиной и радиусом (рис. 1) напряжение в вершине определяется зависимостью

Рис. 1. Концентрация напряжений вблизи эллиптической трещины

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Для пластичных материалов опасность таких напряжений мала. В результате перемещения дислокаций и увеличения их плотности у вершины трещины протекает местная пластическая деформация, приводящая к затуплению вершины. Затупление (уменьшение радиуса ) приводит к релаксации (снижению) локальных напряжений и их выравниванию, при этом дефект перестает играть роль острого концентратора напряжений.

Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам. В силу того, что дислокации заблокированы и пластическая деформация невозможна, при увеличении средних напряжений локальные напряжения σy max повышаются настолько, что вызывают разрыв межатомных связей и развитие трещины. Рост трещины не тормозится, как в пластичных материалах, а ускоряется. После достижения некоторой критической длины трещины наступает ее самопроизвольный лавинообразный рост, вызывающий хрупкое разрушение.

Для высокопрочных материалов, которые обладают определенной пластичностью, реальную опасность представляют трещины только критической длины lкр. Увеличение трещины до значений lкр тормозится местной пластической деформацией. Однако при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается, и происходит самопроизвольное ее развитие и разрушение материала.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины (критерий ). Он определяет растягивающие напряжения σу в любой точке (рис. 2) впереди вершины трещины, которые вычисляются по формуле:

Знаменатель дроби обращается в единицу при х ≈ 0,16, поэтому К численно равен σу на расстоянии ∼ 0,16 мм от вершины трещины. Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают К1, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную — К. При этом

где α — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Критерий К1с, имеющий размерность МПа · м 1/2 , показывает то, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения, и связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины.

Значение К1с определяют экспериментально на образцах с надрезом и заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной.

Значение К1с зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (ее затупления) и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К1с называют вязкостью разрушения. Чем больше значение К1с, тем выше надежность и сопротивление этого материала вязкому разрушению. Кроме качественной характеристики надежности, К1с дополняет параметры σ0,2 и при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей с σв ≥ 1 200 МПа, титановых сплавов с σв ≥ 800 МПа и алюминиевых сплавов с σв ≥ 450 МПа). Этот критерий позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта.

Рис. 2. Зависимость напряжения от расстояния до вершины трещины

Для оценки надежности материала также используют следующие параметры: ударную вязкость и , температурный порог хладноломкости t50. Однако это качественные параметры и они непригодны для расчета на прочность.

Параметром КСV оценивают пригодность материала для изготовления сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, является более показательным. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибеииваеотцен способность материала тормозить начавшееся разрушение. Чем больше параметр КСТ, определенный при рабочей температуре в условиях эксплуатации, тем выше надежность материала. Так же как и К, КСТ учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения.

Порог хладноломкости t50 характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Этот порог определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. При таких испытаниях для оценки поведения материала при экстремальных условиях эксплуатации важным условием является сочетание ударного нагружения, надреза и низких температур (основных факторов, способстхвурюупщчиваонию ).

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t50. При этом, чем ниже температура перехода материала в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости материала и выше вероятность хрупкого разрушения.

Долговечность — свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причинами потери работоспособности материала являются: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80 %) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Она тем выше, чем ниже скорости зарождения и развития трещины усталости.

Износостойкость характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости изнашивания.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

  1. критерии прочности σв, σ0,2 и σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры детали;
  2. модули упругости Е, С, которые при заданной геометрии детали определяют величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость;
  3. пластичность δ, Ψ, ударная вязкость КСТ, KСV, КСU, вязкость разрушения К, порог хладноломкости t50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;
  4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

Характеристика конструкционных материалов: виды, свойства

Мир разнообразных конструкций — промышленных, строительных, бытовых — разнообразен и многогранен, но он немыслим без материалов, из которых эти конструкции создаются. Конструкционные материалы содержат небольшое количество неизбежных примесей, образовавшихся естественным путём, причём основная часть примесей присутствует там намеренно.

Читайте также:
Рекристаллизация: что это за явление,описание процесса и его стадий

Что такое конструкционные материалы?

Они отвечают трём требованиям – имеют определённую структуру и уровень свойств, а также пригодны для изготовления каких-либо изделий. Вещества, имеющие жидкую или пастообразную консистенцию, в эту группу не входят.

Большинство материалов для конструкций производятся искусственным способом из специально обработанных или подготовленных составляющих. Некоторые материалы являются веществами природного происхождения, основные свойства которых при обычной обработке не изменяются.

Разновидности конструкционных материалов

Основные конструкционные материалы подразделяют на металлические и неметаллические. Первая группа включает в себя чёрные (сталь, чугун) и цветные металлы и сплавы. Вторая более разнообразна: туда входят:

  • механические композиты (бетон, цемент);
  • древесина;
  • природный камень;
  • пластмассы, которые могут существовать в виде изомеров – атомов, соединённых между собой разными видами химических связей.

К отдельной группе относят химические композиты, в структуре которых одновременно присутствуют атомы металлов и неметаллов. Достижения современного материаловедения ежегодно приводят к созданию принципиально новых типов конструкционных материалов. Свойства композитов зависят от устойчивости соединения нескольких природных или искусственных веществ, которые получены в определённых условиях. Каждый из конструкционных материалов имеет определённые свойства, соответственно которым устанавливаются области его рационального применения.

Из чёрных металлов и сплавов главнейшее значение имеет сталь и её сплав с графитом – чугун. В качестве цветных металлов наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Они востребованы практически во всех отраслях промышленного производства, аграрном деле, строительстве, связи.

Типовым представителем механических композитов считается бетон, состоящий из смеси цемента, таких заполнителей, как песок, гравий или щебень, а также воды. Параметры бетона зависят от соотношений, используемых при расчете смеси. Поэтому поставщики бетона обычно предоставляют свойства материала и результаты испытаний для каждого конкретного случая.

Древесина считается конструкционным материалом, если потребительские свойства позволяют использовать её для производства компактной, долговечной продукции. Например, деревья-кустарники, хотя и имеют структуру древесины, могут использоваться только в качестве сырья для лесохимической или целлюлозно-бумажной промышленности.

Природные камни – граниты, базальт, кварц, представляют собой вещества магматического происхождения, образовавшиеся много тысячелетий тому назад вследствие извержения пород из недр Земли с их последующим застыванием. Возможна механическая (резание, шлифовка) или термохимическая (литьё) обработка природного камня.

Пластмассы – обширный класс искусственных веществ, которые создаются в результате контролируемого прохождения химических реакций. Номенклатура применяемых пластиков обширна и ежегодно пополняется новыми представителями.

Рассмотрим классификацию конструкционных материалов более подробно.

Металлические

Включают материалы, полученные переработкой руд чёрных и цветных металлов. Самородные структуры – золото, железо, свинец – в первичном виде не используются, поскольку не обладают теми потребительскими характеристиками, которые необходимы для долговечного применения.

Ведущее место среди металлов принадлежит стали – сплаву железа с не более чем 2% углерода. Особенностями стали являются:

  • достаточно широкий диапазон марок;
  • возможность видоизменять характеристики под воздействием температуры;
  • доступность добычи исходного сырья;
  • способность к вторичной переработке.

Большинство металлических материалов может проявлять интерметаллидные свойства, образуя новые многокомпонентные соединения.

Поскольку все виды конструкционных материалов тверды, прочны и сохраняют свою форму при повышенных температурах (исключение составляют только олово и свинец, которые используются в качестве припоев), то основные области их применения – строительство, промышленность, средства связи, медицина.

Неметаллические

Получаются как природным, так и искусственным способом. Например, образование изделий из камня – это производство, основанное на переработке естественных заготовок. Остальные виды – керамика, дерево, пластик – получены в результате процессов с искусственно полученными веществами (например, с цементом для бетона), либо с природными компонентами (в частности, для изготовления керамики используют глину).

Процессы, которые необходимы для получения неметаллов:

  • Добыча исходного сырья – руды, древесины, химических соединений, используемых для производства пластических масс и т.д.
  • Подготовка сырья к переработке. Для неорганических ископаемых сюда входят технологии обогащения, для органических (древесина, пластик) – различные механо-термические превращения.
  • Получение продукции и её отделка, например, окраска, нанесение декоративных или технологических покрытий.

    Конечные показатели материалов органического происхождения могут сильно отличаться от свойств исходного сырья, в то время как продукты из неорганических компонентов в целом сохраняют свои эксплуатационные показатели.

    Композиционные

    Композиты образуются только искусственными способами, для чего применяются механические (измельчение, дробление, резка), химические, термические и комбинированные операции.

    В число последних входят:

    • нагрев;
    • уплотнение;
    • охлаждение;
    • растворение.

    Нагрев и охлаждение используются для облегчения последующего формоизменения, уплотнение (прессование) – для преобразования заготовок в конечную продукцию, растворение – для ускорения обработки компонентов.

    Для получения продукции, основой которой являются высокомолекулярные органические вещества, используют управляемые химические реакции, а для создания композитных конструкционных материалов с особыми свойствами — методы с применением высоких энергий. В результате направленного энергетического воздействия, например, лазерного луча или плазмы, исходная структура веществ необратимо изменяется. В результате образуется продукция, свойства которой в природном виде воспроизвести невозможно. Это направление материаловедения за последние годы развивается наиболее интенсивно, поскольку техника и потребности современного общества требуют материалов, которые обладали бы сочетанием нескольких противоречивых характеристик: например, высокой прочностью при малом весе.

    Свойства конструкционных материалов

    Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

    Физические свойства конструкционных материалов — это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

    Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

    Механические свойства

    Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

    Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

    Читайте также:
    Материалоемкость: определение понятия, применение, формулы, расчеты

    Основные механические свойства:

    • предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
    • деформируемость без потери целостности;
    • упругость;
    • удельная вязкость разрушения.

    Физические свойства

    Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

    Основные физические свойства:

    • плотность;
    • электропроводность;
    • теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
    • температуры перехода в различное структурное состояние;
    • коэффициенты объёмного расширения.

    Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

    Технологические свойства

    Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

    Эксплуатационные свойства

    Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость — это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

    • адгезию (сцепление;
    • истирание;
    • царапание, долбление;
    • температурный износ.

    Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

    Химические свойства

    Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

    • стойкость против коррозии (для металлов);
    • химическая стабильность (для пластика;
    • инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

    Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

    ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

    ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

    При выборе материалов в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и разграничить факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие — по возможности.

    Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физикохимическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно, если в конструкции должны работать разные материалы.

    Более правильным является формирование технических требований к материалу на основании моделирования условий работы изделия в реальных условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно определить уровень локальных пиковых напряжений изделия. В том случае, когда не имеется возможности использовать стенд для измерения рабочего напряжения, возникающего в изделии при его эксплуатации, следует использовать расчетные методы.

    Физико-химические свойства. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Применение в соединениях деталей из различных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.

    Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т.д. могут вызвать повреждение в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.

    Механические свойства. Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.

    Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [о], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности, т.е. к коэффициенту запаса прочности п. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких — временное сопротивление:

    Широко принятым критерием работоспособности металлических сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом. При этом сложность представляет выбор необходимого уровня вязкости и вида образцов для ее оценки. В разных странах принят различный гарантированный уровень ударной вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, определенная на образцах типа Шарли размером 10 х 10 х 55 мм с надрезом радиусом 0,25 мм, составляет КСУ> 0,30 МДж/м 2 .

    Надежность конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению. Поэтому для таких изделий проводятся имитирующие циклические испытания стандартных образцов либо циклические стендовые испытания. База испытаний выбирается в зависимости от условий эксплуатации оборудования.

    Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или охлаждению, испытывается на сопротивление термической усталости.

    В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

    При циклическом или длительном статическом нагружении номинальные эксплуатационные напряжения выбираются с введением коэффициентов запаса па и пп по пределам длительной прочности и ползучести.

    Коэффициенты Яд и лп обычно имеют значения в пределах 2,0-3,5.

    Технологические свойства (литейные свойства у литейных сплавов; обрабатываемость давлением у деформируемых сплавов, обрабатываемость резанием, свариваемость) весьма важны и могут быть решающими при выборе материала для изготовления высококачественных изделий в производственных условиях. Например, нельзя изготовить литьем тонкостенные протяженные детали из сплава с низкой жидкотекучестью и плохой заполняемостью. Нельзя также изготавливать сварные конструкции из сталей с высоким содержанием углерода (высоким углеродным эквивалентом), так как в зоне сварного шва всегда будут образовываться сварные трещины.

    При рассмотрении обрабатываемости материалов следует исходить из условий серийности изготавливаемого изделия и необходимости применения смягчающей термообработки. Так, при изготовлении изделий крупносерийного или массового производства следует ориентироваться на их механическую обработку с использованием станков с ЧПУ и обрабатывающих центров. В этом случае твердость обрабатываемых деталей должна быть невысокой (до 250 НВ). Для обеспечения низкой твердости для этих деталей может применяться предварительная термообработка: отжиг, нормализация, высокий отпуск.

    Читайте также:
    Легированная сталь: свойства, получение, применение, маркировка

    Оценка свариваемости конструкционных материалов должна включать анализ уровня механических свойств сварного соединения и основного металла, определение склонности к образованию дефектов, прежде всего трещин в металле шва и зоне термического влияния, определение чувствительности сварного соединения к концентраторам напряжений и склонности к хрупкому разрушению. Для получения бездефектных равнопрочных сварных соединений, обладающих высоким сопротивлением хрупкому разрушению, необходима разработка специальной системы легирования сварного шва.

    Приняты следующие термины, характеризующие свариваемость металлов: хорошая, удовлетворительная, ограниченная, неудовлетворительная. Хорошая свариваемость характерна для металлических материалов, не имеющих ограничений в проведении процесса сварки при температуре окружающей среды по массе и сложности конструкций. Такие материалы не требуют предварительного подогрева. При удовлетворительной свариваемости на морозе сварка не допускается и должна производиться при комнатной температуре. В сварных элементах должны отсутствовать жесткие стыки; для сложных узлов необходим предварительный сопутствующий подогрев; после сварки при большом объеме наплавленного металла необходим отпуск; при вваривании вкладышей рекомендуется проводить промежуточную термическую обработку. Ограниченная свариваемость подразумевает возможность сварки небольших деталей простой формы с подогревом до 300—400 °С и проведении отпуска после сварки; в случае жестких контуров температура подогрева должна быть увеличена до 600 °С. Неудовлетворительная свариваемость характерна для материалов, нуждающихся в отжиге перед сваркой; даже при сварке простых узлов их необходимо подогревать до температур более 450 °С с обязательным проведением высокого отпуска после сварки.

    Выбранные материалы и технологии изготовления из них изделий обязательно должны быть привязаны к возможностям конкретного производства. Например, не следует ориентироваться на лазерную термообработку изделий массового производства, так как это окажется технически невыполнимым, а следует выбрать один из видов химико-термической обработки, который используется на предприятии — изготовителе изделий.

    Важный этап выбора материала — оценка его стоимости и дефицитности. Выбранный материал должен быть по возможности дешевым, с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость изготовления из него деталей, а также эксплуатационную стойкость. Необходимо учитывать также наличие дефицитных составляющих материала. Например, в последние годы такие элементы в стали, как вольфрам, кобальт, никель являются дефицитными и их использование в качестве легирующих добавок в сталях должно быть ограничено. Однако в тех случаях, когда без них нельзя обеспечить необходимые служебные свойства, их применение оправдано (быстрорежущие стали, жаропрочные стали и сплавы).

    Таким образом, основой при выборе материалов являются назначение и условия работы изделия или конструкции. При ЭТОМ КОНструктор опирается на опыт изготовления и эксплуатации изделий и конструкций данного профиля, уровень технологии производства и контроля, а также учитывает экономические соображения. При выборе материалов большую роль могут сыграть результаты стендовых и натурных испытаний изделий.

    Использование при выборе материалов, ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях, вполне оправдано, но может привести, с одной стороны, к отказу от совершенствования конструкций и изделий, а с другой — к повторению уже сделанных ошибок.

    9 Конструкционные материалы

    Конструкционные материалы

    Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

    Конструкционными называют мате­риалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инже­нерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Делали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при стати­ческих, циклических и ударных нагруз­ках, при низких и высоких температу­рах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, ос­новные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

    Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, кон­струкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

    Конструкционной прочностью назы­вается комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длитель­ную работу материала в условиях экс­плуатации.

    Механические свойства, определяю­щие конструкционную прочность и вы­бор конструкционного материала, рас­смотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия за­висят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

    Среда – жидкая, газообразная, ионизи­рованная, радиационная, в которой ра­ботает материал, оказывает существен­ное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вы­зывать повреждение поверхности вслед­ствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, из­менение химического состава поверх­ностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в ре­зультате ионизационного и радиацион­ного облучения. Для того чтобы проти­востоять рабочей среде, материал дол­жен обладать не только механическими, но и определенными физико-химически­ми свойствами: стойкостью к электро­химической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способ­ностью работать в условиях вакуума и др.

    В некоторых случаях важно так­же требование определенных маг­нитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности разме­ров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

    Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характери­зуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформа­ции и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

    Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысо­кую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны со­держать минимальное количество леги­рующих элементов. Использование ма­териалов, содержащих легирующие эле­менты, должно быть обосновано повы­шением эксплуатационных свойств дета­лей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масшта­бе производства.

    Таким образом, качественный кон­струкционный материал должен удовле­творять комплексу требований.

    Рекомендуемые файлы

    Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки

    Конструкционная прочность – ком­плексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надеж­ности и долговечности.

    Читайте также:
    Резина материал - классификация, эксплуатационные характеристики

    Критерии прочности материала выби­рают в зависимости от условий его ра­боты. Критериями прочности при стати­стических нагрузках являются времен­ное сопротивление или предел теку­чести, характеризующие сопро­тивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближен­ной оценки статической прочности ис­пользуют твердость НВ.

    Большинство деталей машин испыты­вает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности – предел вынос­ливости. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем боль­ше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали. Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих на­пряжений сопровождается увеличением упругих деформаций.

    Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким мо­дулем упругости (или сдвига), являю­щимся критерием его жесткости. Имен­но критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин стан­ков, корпусов редукторов и других дета­лей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

    Возможно и противоположное требо­вание. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов при­боров, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важ­ное значение имеет эффективность мате­риала по массе.

    Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

    Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает вне­запный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

    Для предупреждения хрупкого разру­шения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластич­ностью и ударной вязкостью. Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабо­раторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, доста­точно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам отно­сятся концентраторы напряжений (над­резы), понижение температуры, динами­ческие нагрузки, увеличение размеров деталей.

    Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необ­ходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость – группа параметров надежности, характеризую­щих способность материала тормозить развитие трещины.

    Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разру­шения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (ло­кальные) напряжения, в вершине которых мо­гут во много раз превышать средние рас­четные напряжения.

    Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнаши­вания, ползучести, коррозии, радиацион­ного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление не­обратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьше­ние до требуемых значений скорости его разрушения.

    Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталост­ным разрушениям (циклической долго­вечностью) или сопротивлением изна­шиванию. Поэтому эти причины потери работоспособности материала требуют подробного рассмо­трения.

    Циклическая долговечность характе­ризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющих­ся циклов напряжений. Цикл напряже­ния – совокупность изменения напряже­ния между двумя его предельными значениями σmax и σmin в течение перио­да Т.

    Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводя­щие к изменению его свойств, образова­нию трещин, их развитию и разруше­нию, называют усталостью, а свойство противостоять усталостивыносли­востью.

    Износостойкость – свойство материа­ла оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев мате­риала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изна­шивания называют износом. Его опре­деляют по изменению размеров, уменьшению объема или массы. Износостойкость материала оцени­вают величиной, обратной скорости изнашивания.

    Классификация конструкционных материалов

    Перечень конструкционных материа­лов, применяемых в машино- и прибо­ростроении, велик, и классифицировать их можно по разным признакам. Боль­шинство из них, такие, как стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в раз­личных деталях и конструкциях.

    Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определен­ного функционального назначения: жа­ропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.

    Классификация подраз­деляет конструкционные материалы по свойствам, определяющим выбор мате­риала для конкретных деталей кон­струкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими крите­риями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универ­сальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность применения их определяется различны­ми критериями. В соответствии с выбранным принци­пом классификации все конструк­ционные материалы подразделяют на следующие группы:

    1. Материалы, обеспечивающие жест­кость, статическую и циклическую про­чность

    2. Материалы с особыми технологическими свойствами

    3. Износостойкие материалы

    4. Материалы с высокими упругими свойствами

    5. Материалы с малой плотностью

    6. Материалы с высокой удельной прочностью

    7. Материалы, устойчивые к воздей­ствию температуры и рабочей среды

    Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности

    Детали машин и приборов, передаю­щих нагрузку, должны обладать жест­костью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластиче­ской деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из много­образия материалов в наибольшей сте­пени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуна и осо­бенно стали. Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упру­гости и тем самым высокой жесткостью, уступая в этом лишь бору, вольфраму, молибдену, бе­риллию, которые из-за высокой стои­мости используются только в специаль­ных случаях. Высокая жесткость и дос­тупность обусловливают широкое при­менение сталей для изготовления строи­тельных металлоконструкций, корпус­ных деталей, ходовых винтов станков, валов и многих других деталей машин.

    Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и цикличе­ской прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапа­зоне изменением концентрации углеро­да, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.

    Применяемые в технике сплавы на ос­нове меди, алюминия, магния, титана, а также пластмассы уступают стали по жесткости, прочности или надежности. Кроме комплекса этих важных для ра­ботоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным ма­териалом. При соответствующем легировании и технологии термической обра­ботки сталь становится износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также при­обретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Стали свой­ственны также хорошие технологические свойства. К тому же она сравни­тельно недорога. Вследствие этих достоинств сталь – основной металлический материал промышленности.

    Читайте также:
    Хонингование - суть и эффекты, инструменты для хонинговки металла

    Классификация конструкционных сталей

    Стали классифицируют по химическо­му составу, качеству, степени раскисле­ния, структуре и прочности.

    По химическому составу стали класси­фицируют на углеродистые и легиро­ванные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеро­дистые ( 0,7% С). Легированные стали в зави­симости от введенных элементов под­разделяют на хромистые, марганцо­вистые, хромоникелевые, хромокремнемарганцевые и многие другие. По коли­честву введенных элементов их разде­ляют на низко-, средне- и высоколегиро­ванные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколеги­рованных – более 10%.

    По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, каче­ственные, высококачественные и особовысококачественные.

    Под качеством стали понимают сово­купность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производ­ства. Однородность химического соста­ва, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фос­фора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, по­этому нормы содержания вредных при­месей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035% Р, высоко­качественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р.

    По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, прово­димый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформа­ции.

    Спокойные стали раскисляют марган­цем, кремнием и алюминием. Они со­держат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится по­вышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО соз­дает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие слали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si НВ 6000) и хрупкости. Присут­ствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обра­ботке давлением, затрудняет обработку резанием.

    Железоуглеродистые сплавы подраз­деляют на две группы: стали, содержа­щие до 2,14%С, и чугуны.

    Лекция 17. Конструкционные и электротехнические материалы.

    Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов. Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике. Электротехнические материалы: полупроводники, диэлектрики, проводники, сверхпроводники.

    Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов. Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике.

    Под материалами понимают вещества, идущие на изготовление чего-либо или используемые при эксплуатации других веществ. Материалы, предназначенные для изготовления деталей машин и аппаратов, приборов, технических конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам, называются конструкционными. Среди конструкционных материалов выделяют прочные, износостойкие, упругие, легкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные. Материалы разделяют по магнитным, электрическим и другим свойствам.

    Однако основы современной технике – машины и механизмы – изготовляют в основном из металлических материалов – металлов, сплавов металлов друг с другом и с некоторыми неметаллами.

    В настоящее время сплавы железа подразделяют, на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

    Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода в железе и температуры, получаются различные стали, отличающиеся микроструктурой. Такие стали обладают различными кристаллическими и механическими свойствами и могут превращаться одна в другую.

    Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость зависит от кристаллической модификации железа и температуры. Углерод растворяется в γ-железе гораздо лучше, чем в других полиморфных модификациях железа. Раствор углерода в γ-железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое γ-железо. Твердый раствор углерода в α-, β-, δ-железе называется ферритом, твердый раствор углерода γ-железе – аустенитом.

    Феррит является твердым раствором внедрения углерода в объемно-центрированную кубическую решетку железа. В связи с малыми расстояниями меду атомами железа в кристаллической решетке атомы углерода вынуждены размещаться в дефектах решетки (вакансиях, дислокациях).

    Аустенит представляет собой фазу внедрения атомов углерода между атомами железа в гранецентрированной кубической решетке γ-железа. Но в связи с большим значением параметра кристаллической решетки γ-железа, чем у его остальных модификаций, содержание углерода значительно больше (до 2,14 % (масс.).

    Другой фазой, образуемой железом и углеродом, является карбид железа, или цементит, Fe3C. Цементит имеет сложную кристаллическую структуру, содержит 6,67 % (масс.) углерода и характеризуется высокой твердостью (близкой к твердости алмаза) и значительной хрупкостью.

    Механические свойства феррита и аустенита зависят от содержания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.

    Железоуглеродные сплавы, содержащие меньше 2,14 % углерода, называются сталями, а содержащие больше 2,14 % углерода – чугунами.

    Наиболее совершенный промышленный способ получения стали – плавка в электрических печах. Этим способом выплавляют в настоящее время большинство сортов специальных сталей. В электрической печи легко обеспечивается быстрый подъем и точное регулирование температуры, в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь с наименьшим количеством вредных примесей и заданного состава с высокой точностью.

    При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1 %). При кристаллизации стали, кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (II). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлических примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали. На качество стали, сильно влияют содержащиеся в ней газы (кислород, водород, азот) и вредные примеси (сера, фосфор). Кислород, азот и водород снижают пластичность и способствуют, хрупкому разрушению стали. Сера придает хрупкость стали при горячей обработке давлением (красноломкость), присутствуя в ней в виде сульфидов FeS. Крайне нежелательная примесь – фосфор, который вызывает хладноломкость: хрупкость стали при пониженных температурах. Сталь обыкновенного качества содержат до 0,015 % S и 0,045 % P, высококачественные стали содержат серы не более 0,015 %, а фосфора – не более 0,025 % масс.

    Читайте также:
    Защитные материалы: классификация, свойства, применение, изготовление

    Для удаления из сталей кислорода её еще в процессе получения, в жидком состоянии, подвергают раскислению. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода добавлением марганца, кремния, алюминия, титана. Эти элементы активно связывают кислород, содержащийся в стали, в виде оксидов, которые переходят в шлак. Если кислород из стали не удалять, то при деформации при высоких температурах сталь подвергается хрупкому разрушению. Марганец также связывает серу в виде MnS и способствует, таким образом, устранению красноломкости стали:

    Термической обработкой стали называется изменение ее структуры, а следовательно, и свойств, достигаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой температуре и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали – важнейшая операция в технологии стали. Она может очень сильно изменить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инструменты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки. Применяются различные виды термической обработки, придающие стали различные свойства. Важнейшими являются закалка и отпуск.

    Закалка – это нагревание стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит. Закалка придает, стали твердость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции – отпуску. Данная операция состоит в нагревании стали до температуры, при которой еще не достигается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно медленном охлаждении. Отпуск – конечная операция термической обработки. В результате закалки и отпуска сталь получает требуемые механические свойства.

    Механические свойства медленно охлажденной углеродистой стали, сильно зависят от содержания в ней углерода. Медленно охлажденная сталь состоит из феррита и цементита, причем количество цементита пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита намного выше твердости феррита. Поэтому при увеличении содержания углерода в стали, ее твердость повышается. Кроме того, частицы цементита затрудняют движение дислокаций в основной фазе – в феррите. По этой причине увеличение количества углерода снижает пластичность стали.

    Легированные стали. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной сталью. К важнейшим легирующим элементам относятся хром, никель, марганец, кремний, ванадий, молибден.

    Различные легирующие элементы по-разному изменяют структуру и свойства стали. Так, некоторые элементы образуют твердые растворы в γ-железе, устойчивые в широкой области температур. Например, твердые растворы марганца или никеля в γ-железе при значительном содержании этих элементов стабильны от комнатной температуры до температуры плавления. Сплавы железа с подобными металлами называются, поэтому аустенитными сталями или аустенитными сплавами.

    Феррит – твердый раствор внедрения углерода в кристаллическую решетку полиморфной модификации α-железа, в конструкционных сталях составляет не менее 90 % по объему. Он во многом определяет свойства стали. Легирующие элементы, растворяются в феррите и упрочняют его. Особенно сильно повышают твердость феррита Si, Mn и Ni, склонные к образованию иных кристаллических решеток, чем объемно-центрированная кубическая решетка α-Fe. Слабее влияют Mo, W, Cr, изоморфные α-Fe. Наиболее ценным и дефицитным легирующим элементом является никель. Вводя никель в сталь в количестве от 1 до 5 %, добиваются уменьшения порога перехода в хрупкое состояние стали на 60-80 0 С и более.

    По своему назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. В качестве конструкционных, могут использоваться как углеродистые, так и легированные стали. Конструкционные стали обладают высокой прочностью и пластичностью. В то же время они должны хорошо поддаваться обработке давлением, резанием, хорошо свариваться. Основные легирующие элементы конструкционных сталей – это хром (около 1 %), никель (1-4 %) и марганец (1-1,5 %).

    Марганцовистая сталь, содержащая до 15 % Mn, обладает высокими твердостью и прочностью. Из нее изготовляют рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы.

    Инструментальные стали – это углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов. Необходимую твердость обеспечивает содержащийся в этих сталях углерод (в количестве от 0,8 до 1,3 %). Основной легирующий элемент инструментальных сталей – хром, иногда в них вводят также вольфрам и ванадий. Особую группу инструментальных сталей составляет быстрорежущая сталь, сохраняющая режущие свойства при больших скоростях резания, когда температура рабочей части резца повышается до 600-700 0 С. Основные легирующие элементы этой стали – хром и вольфрам.

    Стали с особыми свойствами. К этой группе относятся нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и некоторые другие стали. Нержавеющие стали устойчивы против коррозии в атмосфере, влаге и в растворах кислот, жаростойкие – в коррозийно-активных средах при высоких температурах. Жаростойкие стали сохраняют высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, что важно при изготовлении лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей и ракетных установок. Важнейшие легирующие элементы жаропрочных сталей – это хром (15-20 %), никель (8-15 %), вольфрам. Жаропрочные стали принадлежат к аустенитным сплавам.

    Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются, и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготавливают из низкоуглеродистых (менее 0,005 % С) сплавов железа и кремния. Эти стали легко перемагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь.

    К чугунам относят сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода. Различают чугуны: белые, серые, высокопрочные и ковкие. Чугун отличается от стали своими свойствами. Он в очень малой степени способен к пластической деформации, но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали. В зависимости от условий кристаллизации, чугун может содержать углерод в виде цементита, графита или в виде их смеси. Форма образующегося графита также может быть различной.

    Читайте также:
    Дефекты в кристаллах - все виды с подробным описанием

    Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита. Из-за большого содержания углерода (6,69 % (масс.)) белые чугуны характеризуются высокой твердостью, хрупкостью. Поэтому в качестве конструкционного материала белые чугуны применяются в виде белого упрочняющего слоя на поверхности серого чугуна для изготовления прокатных валков, лемехов плугов, тормозных колодок и др.

    В сером чугуне углерод содержится главным образом в виде пластинок графита. Эти низкопрочные пластинчатые включения углерода пронизывают металлическую основу материала и служат центрами разрушения серого чугуна при растяжении. Это влияние графита гораздо меньше сказывается при сжатии чугуна. Поэтому прочность чугуна при сжатии примерно в четыре раза больше прочности при растяжении. Поэтому серый чугун применяют при изготовлении деталей, работающих на сжатие, или для ненагруженных деталей (станины станков, корпуса редукторов и насосов, поршневые кольца двигателей и др.).

    Высокопрочный чугун содержит графит в шаровидной (глобулярной) форме в интервале 3,0-3,6 %. Для этого в чугун вводят магний (до 0,08 %). Шаровидный углерод меньше снижает прочность чугуна, чем пластинчатый. Такие чугуны дешевле сталей и их часто применяют для замены стальных деталей и конструкций. Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станков, прокатные валки, насосы, вентили.

    Медные и другие сплавы.

    Латуни содержат медь до 45 % цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних, кроме меди и цинка, входят другие элементы, например, железо, алюминий, олово, кремний. Латуни находят разнообразное применение. Из них изготавливают трубы для конденсаторов и радиаторов, детали механизмов, в частности часовых. Некоторые специальные латуни обладают высокой коррозийной стойкостью в морской воде и применяются в судостроении. Латунь с высоким содержанием меди – томпак – благодаря своему внешнему сходству с золотом используется для ювелирных и декоративных изделий.

    Медноникелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся мельхиоры и нейзильберы. Мельхиоры содержат 20-30 % никеля и небольшие количества железа и марганца, а нейзильберы содержат 5-35 % никеля и 13-45 % цинка. Благодаря стойкости против коррозии в воде, в том числе морской, конструкционные медноникелевые сплавы получили широкое распространение в судостроении и в энергетической промышленности. Из них изготавливают радиаторы, трубопроводы, дистилляционные установки для получения питьевой воды из морской.

    Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные, магнитные и сплавы с особыми свойствами. Жаропрочные сплавы никеля используются в современных турбинах и реактивных двигателях, где температура достигает 850-900 0 С. К важнейшим жаропрочным сплавам никеля относятся нимоник, инконель, хастеллой. В состав этих сплавов входит свыше 60 % никеля, 15-20 % хрома и другие металлы. Производятся также металлокерамические жаропрочные сплавы, содержащие никель в качестве связующего металла. Эти сплавы выдерживают нагревание до 1100 0 С. К сплавам никеля с особыми свойствами принадлежат монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит. Монель-металл (сплав никеля с 30 % меди) широко используется в химическом аппаратостроении, так, как по механическим свойствам он превосходит никель, а по коррозийной стойкости почни не уступает ему.

    Износостойкие материалы.

    Одним из необходимых условий создания износостойкого материала является обеспечение высокой твердости его поверхности. Такими свойствами обладают многие карбиды металлов. Карбиды металлов входят в составы сплавов карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) с углеродом (до 40 % С). Их применяют для изготовления литых и наплавочных материалов.

    Упрочнения поверхности стали можно добиться специальными методами, такими как поверхностной закалкой с нагревом токами высокой частоты и химико-термической обработкой в виде цементации и азотирования. Цементация и азотирование – процессы диффузионного насыщения поверхностного слоя детали углеродом и азотом, соответственно. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину (зубчатые колеса, коленчатые валы, кулачки, червяки).

    Легкие конструкционные материалы. Для современной техники характерно снижение массы машин, аппаратов, приходящиеся на единицу используемой мощности. Для этого используют материалы с высокой удельной прочностью. Удельная прочность – отношение прочности материала к его плотности.

    Современные материалы, применяемые в автомобилях, судах, авиации, космической технике, должны обладать большой удельной прочностью и достаточной пластичностью. Однако большинство пластичных материалов не обладает термической прочностью, а высокопрочные материалы – недостаточно пластичны.

    В качестве конструкционных материалов из легких металлов применяются только Be, Mg, Al, Ti и сплавы на их основе. Данные металлы являются химически стойкими веществами, благодаря наличию плотных защитных оксидных слоев.

    Сплавы на основе бериллия и магния обладают наряду с малой плотностью ценными упруго-прочностными свойствами. Бериллий обладает, прочностью легированной стали, а его удельная прочность одна из наивысших среди металлов. Бериллий является одним из лучших материалов для изготовления жестких и легких конструкций. Главными недостатками бериллия являются хрупкость, высокая стоимость и токсичность.

    Прибавка к магнию небольших количеств других металлов существенно улучшает его твердость, прочность и сопротивляемость к коррозии. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность, составляющая 1,8 г/см 3 . Они используются в ракетной технике, в авиастроении, при изготовлении автомобилей, мотоциклов, приборов. Недостатком сплавов магния являются низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере и, особенно в морской воде.

    Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, которая сравнима с прочностью высокопрочных сталей. Сплавы алюминия имеют низкую плотность, составляющую 2,5 – 2,8 г/см 3 . Они также имеют такие достоинства как удовлетворительную стойкость против атмосферной коррозии, простоту получения и обработки.

  • Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: