ВВЕДЕНИЕ. Конструкционные материалы

Конструкционные материалы. Начало.

Лекция 1А

ЭТАПЫ СОЦИОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Социологическое исследование включает в себя пять взаимосвязанных этапов:

· Подготовка исследования (выбор исследуемой проблемы, формулировка целей и задач; разработка концепции, построение гипотезы);

· Сбоp пеpвичной социологической инфоpмации;

· Подготовка собpанной инфоpмации к обpаботке;

· Обpаботка и анализ инфоpмации;

· Изложение результатов исследования.

Курс «Конструкционные материалы», являясь одним из основных в цикле технических дисциплин при подготовке инженерных и научных кадров, дает знания о составе, структурах, свойствах конструкционных материалов, технологии их обработки, рациональному использованию в технических устройствах.

Первые конструкции и машины создавались на основе существовавших тогда материалов. Недостатки исходных материалов повлекли за собой поиск новых, более совершенных конструкционных материалов. Постепенно первоначальные и последующие исследования привели к кардинальному пересмотр у и переоценке некоторых критериев многообразных свойств конструкционных материалов и методов их испытания. Каменный век сменился бронзовым, а затем пришел стальной век.

Истории цивилизации присущи этапы, наиболее полно отражающие прогресс человеческого общества: получение огня, развитие скотоводства, культивирование злаковых растений и, наконец, открытие тайны превращения руды в металл. Появление металлургии в седьмом тысячелетии до нашей эры (как свидетельствуют археологические раскопки) обеспечило людей металлами и сплавами, что сыграло решающую роль в последующем развитии производительных сил.

В Средние века находилось немало «ученых», утверждавших, что металлы не приносят людям пользы, а потому не следует копаться в священных недрах земли, чтобы их искать и добывать. Возражая таким «специалистам», Георг Агрикола – известный немецкий мыслитель, автор многих работ по металлургии, в том числе капитального труда «О горном деле и металлургии», вышедшего в 1556 г., писал, что человек не может обойтись без металлов, если бы не было металлов, люди бы влачили самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Они вернулись бы к желудям, лесным яблокам и грушам, питались бы травами и кореньями, ногтями выгребали бы себе логовища, чтобы лежать в них ночью, а днем бродили бы там и сям по лесам и полям, подобно зверям. Поскольку же такой образ жизни совершенно не достоин человеческого разума, самого лучшего дара природы, неужели кто-либо окажется глуп и упрям, чтобы не согласиться, что металлы необходимы для пропитания и одежды, и что они вообще служат для поддержания человеческой жизни.

Бурное развитие научно-технического прогресса повлекло интенсификацию условий эксплуатации деталей и сборочных единиц различных машин. Возросли скорости эксплуатации, режимы силового и температурного нагружения деталей и сборочных единиц многих машин различного назначения. Всё это вызвало применение большого количества новых конструкционных материалов для изготовления деталей машин, приборов, аппаратов, инструментов и других назначений. Таких материалов в настоящее время насчитывается около 1 миллиона наименований.

Современное материаловедение подразделяет конструкционные материалы на четыре основные группы: металлы и сплавы, минералокерамические, полимерные и композиционные (композиты) – наиболее перспективные.

Металлы как основной конструкционный материал с древнейших времен и по настоящее время являются самыми надежными помощниками человека. Почти три четверти химических элементов таблицы Менделеева, из которых состоит все существующее во Вселенной, – это металлы.

Многие из них находят широкое применение в технике и в быту. Но еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлических и неметаллических элементов. Как правило, они обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов. Одни имеют высокую твердость, износостойкость, способность выдерживать огромные давления и температуры. Другие, наоборот, – очень пластичны, хорошо куются и штампуются, третьи даже плавятся в горячей воде.

Инструментальные материалы, являющиеся разновидностью конструкционных, используются для изготовления режущих и измерительных инструментов, фильеров, штампов, прокатных валков и других деталей.

В настоящее время наибольшее распространение получили так называемые «черные сплавы» – стали и чугуны, основой которых является железо. Эти сплавы имеют не только высокое качество, но и относительно дешевы.

Стали и чугуны – универсальные материалы. Изменяя их химический состав и структуру, вводя добавки других металлов, можно получать сплавы с очень широким диапазоном физико-химических и эксплуатационных свойств: сверхтвердые, жаростойкие, нержавеющие под действием даже самых сильных кислот, износостойкие, выдерживающие большие ударные нагрузки и др.

Бурное развитие машиностроения, приборостроения, авиационно-космической, энергетической и других важнейших отраслей привело к созданию нового класса высокопрочных, жаропрочных и высокомодульных материалов, называемых композиционными. Как заметил один из ведущих ученых в этой области, американский профессор А. Дитц, что это название содержит в новой форме очень старую и простую мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

Наряду с высокими удельными значениями прочности, жесткости, жаропрочности композиты могут обладать заданным комплексом различных специальных свойств - радиопоглощающих, радиопрозрачных, диэлектрических, магнитных и др. Это достигается сочетанием разнородных материалов (металлов, сплавов, керамики, полимеров, карбидов, боридов и т. д.), при котором используются полезные свойства отдельных компонентов, входящих в композицию.

Композиционные материалы сыграли существенную роль в решении многих проблем, связанных с авиацией, морским флотом, освоением космоса. В настоящее время спрос на такие материалы непрерывно возрастает и в ближайшие годы сфера их использования будет непрерывно расширяться.

В деле создания новых материалов с уникальными свойствами неоценимое значение приобретает использование нанотехнологий.

Много внимания уделяется получению металлов высокой чистоты, в которых на миллиарды атомов основного материала приходится не более одного атома примесей. Дело в том, что многие металлы, практически свободные от примесей, резко отличаются по свойствам от тех же металлов, хотя бы немного загрязненных другими элементами. В этом отношении показателен титан. Еще в начале прошлого века металлургам не удавалось получать его чистым – в нем всегда присутствовали примеси. Всего несколько десятых долей процента делали титан хрупким, непрочным, не поддающимся механической обработке. О нем сложилось мнение, как о бесполезном материале. Но при получении титана высокой чистоты металл в корне преобразился: он оказался настолько пластичным, что легко ковался даже на холоде, его можно было прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тонкую фольгу.

В последние годы у металлов появился серьезный «конкурент» в виде ряда продуктов современной химии – пластмасс, синтетических волокон, керамики, разных видов стекол и т. д. Ежегодное мировое производство одних только пластмасс измеряется миллионами тонн. Однако выплавка черных и цветных металлов растет не менее быстрыми темпами. Например, два столетия назад ежегодный выпуск стали составлял примерно 3 млн. тонн, в середине прошлого века – более 700 млн. тонн, а в начале нынешнего – более 2 млрд. тонн. Поэтому еще долгие годы человечество будет использовать металлы и сплавы в качестве основных конструкционных материалов. Академик А.Е. Ферсман писал, что будущее за другими металлами, а железу будет отведено почетное место старого, заслуженного, но отслужившего свое время материала. Но до этого будущего еще далеко. Железо – пока основа металлургии, машиностроения, путей сообщения, судостроения, мостов, транспорта.

Каждый день миллиарды людей используют широчайший ассортимент изделий из самых разнообразных материалов. Для придания определенных свойств каждому из них необходимы знания о тех процессах, которые происходят в материалах при их получении, обработке и эксплуатации.

Как нельзя точнее сказал об этом еще в XVI в. известный английский философ Ф. Бэкон: «То, что достойно существовать, – достойно быть знаемо». Потому пока будут цениться конструкционные материалы, будут цениться и знания о них.

При изготовлении современных машин все шире применяют новые, обычно труднообрабатываемые, конструкционные материалы. С усложнением конструкций и увеличением нагрузок на детали проблема точности и качества их изготовления и обеспечение высокой надежности выпускаемых машин стала одной из основных в технологии машиностроения. Все это потребовало более глубокого изучения и совершенствования существующих, а также разработки новых высокоэффективных методов и процессов обработки. Появились новые виды конструкционных инструментальных материалов, освоен выпуск и находят всё большее применение синтетические сверхтвердые материалы (алмазы, эльбор, гексанит и др.), большое развитие получили методы отделочно-упрочняющей обработки. Наибольшими возможностями в отношении повышения точности и качества изготовления деталей обладают новые способы окончательной и доводочной обработки. Большинство из них связано с применением синтетических алмазов и кубического нитрида бора (эльбора). Алмазные и эльборовые круги отличаются высокой размерной стойкостью и обеспечивают в 1,5…2,5 раза более высокую производительность, чем инструмент из обычных абразивных материалов. В настоящее время все большее применение получают резцы, оснащенные сверхтвердыми поликристаллами кубического нитрида бора. Особо эффективны они при обработке стальных деталей, закаленных на твердость HRC 50…60. До появления таких материалов стали указанной твердости лезвийным инструментом вообще не обрабатывались. Высокая размерная стойкость кристаллов кубического нитрида бора позволяет при точении получать точность, доступную лишь шлифованию. Возрастает роль в обеспечении высокой точности и твердосплавного инструмента, особенно размерного. Промышленностью освоен выпуск большой номенклатуры монолитного твердосплавного инструмента для обработки отверстий и резьб, всё шире применяются твердосплавные выглаживающие прошивки и протяжки, сборные червячные фрезы и шевера. Находят применение цельные твердосплавные (вольфрамокобальтовые) валки листопрокатных станов, например, валки диаметром 55 мм 20-ти валкового стана 1200 «СКМЗ».

Достигнутые успехи в обработке металлов резанием, перспектива дальнейшего повышения точности и качества изготовления деталей, роста производительности труда при станочной обработке находятся в прямой зависимости от качества инструментальных конструкционных материалов и металлорежущего инструмента.

Дата добавления: 2014-01-07