Классификации инструментальных сталей и сплавов

По структурному признаку различают:

а) стали, содержащие С сверх эвтектоидной концентрации и имеющие после закалки твердую металлическую основу (мартенсит), в которой распределены еще более твердые включения (карбиды);
б) доэвтектоидные стали с повышенным содержанием С, получающие после закалки мартенситную структуру и высокую твердость;
в) аустенитные сплавы с пониженным содержанием С (0,1-0,4%), приобретающие высокую твердость вследствие карбидного и интерметаллидного упрочнения;
г) стали, устойчивые против коррозии и имеющие повышенное содержание С.

По способу производства:

1) высококачественные характеризуются пониженным содержанием вредных примесей и неметаллических включений;
к ним относятся легированные инструментальные, быстрорежущие, углеродистые стали У7А-У13А, используемые для изготовления инструментов с тонкой режущей кромкой.
2) качественные стали - это углеродистые стали У7-У13, применяемые для изготовления штамповых инструментов простой формы, низколегированные среднеуглеродистые конструкционные стали 40Х и 30ХГС, используемые для изготовления некоторых инструментов.
Отличие: высококачественные должны, после обработки на высокую твердость, обладать
лучшей вязкостью, чем качественные стали.

По назначению:

1) стали для режущих и измерительных инструментов (углеродистые и легированные);
2) стали для штампованных инструментов;
3) быстрорежущие стали.

При эксплуатации инструментальные стали характеризуются:

1) высокими контактными напряжениями и удельными давлениями в рабочей кромке, которые необходимы для деформирования (или резания) обрабатываемых материалов;
2) повышенными напряжениями (при изгибе и кручении) инструментах небольшого сечения или сложной формы, которые достигают наибольших значений на участках, отдаленных от рабочей поверхности;
3) выносливостью к тепловому воздействию, которое передается рабочей кромке инструмента обрабатываемым материалом (температура в рабочей кромке может достигать 1000-1200^o С)
4) сохранением заданной формы и точных размеров рабочей поверхности.

Инструментальные стали и сплавы должны обладать:

а) высокой твердостью; твердость металлорежущих инструментов для обработки черных металлов должна составлять 63-67 HRC; для обработки цветных металлов и дерева - 47-58 HRC;
б) высокой прочностью, обеспечивающей стойкость инструментов; прочность определяют при испытаниях на изгиб;
в) износоустойчивостью, зависящей от состояния и качества (твердости и теплостойкости) стали, а также от состояния сопряженной пары (инструмент-материал) и условий экплуатации инструмента;
г) красностойкостью (теплостойкостью, устойчивостью против отпуска), характеризующей способность стали сохранять высокие твердость, прочность и износоустойчивость при нагреве, возникающем во время работы; одно из важнейших свойств, обуславливающих качество инструментальных сталей, характеризуется максимальной температурой после четырехкратного нагрева, при которой сталь сохраняет твердость не ниже 60 HRC;
д) прокаливаемостью, влияющей на стойкость инструмента и определяющей его технологические свойства.

Технологические свойства:

а) достаточная обрабатываемость при резании и давлении в холодном состоянии;
б) незначительная чувствительность к перегреву;
в) закаливаемость;
г) незначительная деформация при объемных изменениях и напряжениях;
д) незначительная чувствительность к обезуглероживанию, понижающему твердость, сопротивление пластической деформации и износостойкость.
е) шлифуемость - способность стали получать при шлифовании требуемую чистоту поверхности без нагрева, вызывающего снижение твердости.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

• Mn,Si,Cr,B;
• Ni,Mo;
• V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Примечания:

σ₀-предел прочности

σ_т- предел текучести

δ₅- относительное удлинение

HB - твёрдость

KCU - ударная вязкость

σ-1 - усталостная прочность

СВ - свариваемость

КоррС - коррозионная стойкость

ХЛ - хладноломкость

КС - красностойкость

Последняя таблица показывает примерное влияние отдельных компонентов стали в количествах, содержащихся в малоуглеродистой и низколегированной стали без учета совместного действия нескольких компонентов.

Знаки обозначают: (+) - повышает; (++) - значительно повышает; (-) - снижает; (=) - значительно снижает; (0) - не оказывает заметного влияния.

26- Алюминий и его сплавы

Алюминий имеет огромное значение в промышленности из-за высокой пластичности, большой тепло и электропроводности, слабой коррозии, т.к. образующая на поверхности пленка Al2O3 защищает металл от окисления. Из него делают тонкий прокат, фольгу, любой профиль прессованием и другими видами обработки давления. Из него изготавливают разного типа провода, применяют в электроаппаратуре.
Как конструкционный материал алюминий чаще всего применяется в сплавах со следующими легирующими элементами: Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn, Ti, Si, Cr, которые формируют упрочняющие зоны и фазы.

Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые (получают
лист, трубы, профиль, паковки, штамповки) и литейные – для фасонного литья.
Сплавы алюминия нашли широкое применение прежде всего в авиации,
автомобилестроении, судостроении и др.отраслях народного хозяйства.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Порошковые материалы, композиты деформируются, а иногда льются.

Неупрочняемые сплавы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг). Это коррозион-
ностойкие материалы, идущие на изготовление бензо -, маслобаков, корпусов
судов.

Упрочняемые сплавы Al -Mg – Si (АВ, АД31, АД33) идут для изготовления лопастей и деталей кабин вертолетов, барабанов колес гидросамолетов.

Дуралюмины Al – Cu – Mg (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17, В93, В95, В96 и др.).

Дюраль содержит
от 2 до 4,5 Cu и, кроме того, он часто легируется Mg (~0.5%), Mn, Fe, Be, Si, Zn. Перечисленные элементы образуют ряд химических соединений, растворяемых в алюминии – матрице (CuAl2, Mg2Si) и нерастворимых Fe, Mn, Cu. Механические свойства после закалки и старения (отпуска) зависят от температуры закалки и старения, скорости охлаждения.

Высокопрочные сплавы Al – Zn – Mg – Cu (В93, В95, В96Ц) более прочны, чем дюралюминий, обладают лучшей коррозионной стойкостью и применяются для изготовления шпангоутов, лонжеронов, стрингеров. Алюминиевые сплавы часто применяются для изготовления поковок штамповок лопастей винта самолета, рам, поясов лонжеронов, крепежных деталей. Это сплавы АК1, АК6, АК8, АК4.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al – Cu – Mn (Д20, Д21) и Al – Cu – Mg – Fe – Ni (АК – 4 – 1) применяют для изготовления поршней, головок цилиндров, дисков, лопаток компрессоров и т.д., работающих при температурах до 300°С. Жаропрочность достигается за счет легирования Ni, Fe, Ti, (Д20, Д21, АК – 4 – 1).

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления литых заготовок. Это сплавы Al – Si (силумины), Al – Cu (дюрали), Al – Mg (Амг). К силуминам относятся сплавы Al – Si (AЛ – 2), Al – Si – Mg (АЛ – 4, АЛ – 9, АЛ – 34), которые упрочняются термообработкой. Силумины хорошо льются, обрабатываются резанием, свариваются, анодируются, пропитываются лаками.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы систем Аl – Cu – Mn (АЛ – 19), Al – Cu – Mn – Ni (АЛ – 33), Al – Si – Cu – Mg (АЛ – 3, АЛ – 5). Легированные Ti, Cr, Ni, Cl, Zn жаропрочны до 300°С, хорошо термообрабатываются. Из них изготавливают поршни, головки блока, цилиндров и т.п.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы систем Al – Mg (АЛ8, АЛ27) и Al – Mg – Zn (АЛ24) хорошо льются и свариваются. Легирование Be, Ti, Zn вызывает изменение зерна. Они термообрабатываются.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) получается прессованием (700 МПа) при температуре 500 – 600°С алюминиевой пудры. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью до 500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Ni (СОС 1), Al-Si-Fe
(СОС 2) иногда легированные Mn,Cr, Zn, Ti, V закаливаются, стареют, жаро-
прочны до 350°С.

Композиционные алюминиевые сплавы армируются борными волокнами (АД1, АД33, ВКА – 1, ВКА – 2), стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А) прочны, гнутся, обладают большой ударной вязкостью, жаропрочностью, усталостью, прочностью.

27- Медь и ее сплавы

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнической промышленности, электронике, приборостроении, плавильном производстве, двигателестроении. Основные сплавы, применяемые в конструкциях, – это латуни и бронзы.

Медь плавится при 1083°С, плотность 8, 94 кг/дмі, ГЦК – решетка, диамагнитна, не имеет полиморфизма, отлично электро- и теплопроводна. Выпускается 11 марок меди МООБ (99,99% Cu, бескислородная), МОБ (99,97% Cu), МО (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu) и др. Вредные элементы в меди: Bi, Pb, O, H, Se, S, Te и др. придают красноломкость, хрупкость, хладноломкость, трещиночувствительность. В таблице 7 приведены свойства меди и сплавов на ее основе.

Сплавы меди с цинком называются латунями. Они содержат до 45% Zn. Сплавы меди с другими элементами таблицы Менделеева (Ag, Al, Au, Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn, Be, Pb, Kd и др.) называются бронзами.

Латуни бывают деформируемые (ГОСТ 15527 – 70) и литейные (ГОСТ 17711 – 93). Деформируемые латуни обозначаются буквой «Л» и цифрой, показывающей содержание меди (Л96, Л63). Часто латуни легируют Pb, Sn, Fe, Al, Si, Mn, Ni и др. элементами с целью придания определенных свойств. В этом случае ставят после Л обозначение элемента соответственно O, Ж, А, С, Мц, Н и т.д. Числа показывают содержание меди и последующих легирующих элементов.

Например: ЛАНМц59 – 3 – 2 – 2 содержит Cu – 59%, Al – 3%, Ni – 2%, Mn – 2%, Zn – остальное – 34%.

Примечание -Н — сплав нагартованный, упрочненный со степенью пла- стической де- формации 50% (Н) и 40% (Н*); О — отожженный при 600 °С по- сле соот- ветствующей степени деформации; 3 — закаленный, (3+С) — после закал- ки и старения; (3+Н+С) — закаленый, нагартованный и соста- ренный; П — литье в песчаные формы; К— литье в кокиль

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ с цифрой указывающей со- держание Zn. Их так же легируют другими элементами, например, Лц23А6Ж2Мц2 содержат: 23% – Zn, 6% – Al, 2% – Fe, 2% – Mn. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, жидкотекучестью, отлично обрабатываются давлением (ά – латуни) на лист, сорт, трубы, специальный профиль.

Из литейных латуней изготавливают запорную арматуру, задвижки, подшипниковые вкладыши и многое другое. Бронзы маркируют буквами Бр. В деформируемых бронзах (Гост 5017- 74,18185-78) после этих букв указывают легирующие элементы, а в конце их содержание. Например, Бр0Ф6,5-04 содержит 6,5% Sn и 0,4% P, остальное медь. Литейные бронзы маркируются (ГОСТ 613 – 79, 493 – 79) с букв. Бр, затем легирующий элемент с цифрой и т.д. Например, Бр03Ц12С5 содержит Sn – 3%, Zn – 12%, Pb – 5%, основа Cu.

Бронзы оловянистые бывают одно – и двухфазные. С увеличением содержания олова прочность увеличивается в связи с появлением, кроме ά – фазы, δ – фазы. Оловянистые бронзы бывают деформируемые и литейные. Деформируемые бронзы имеют однофазную ά – структуру, их обычно легируют фосфором (до 0,4%). К ним относятся, например, БрОФ65 – 04, БрОЦ4 -3, БрОЦС4 – 4 – 25 и т.д. Для удешевления оловянистой бронзы в нее добавляют 5 – 10% Zn, 3 – 5% Pb, чтобы получать БрОЦС 5 – 5 – 5. Литейные оловянистые бронзы Бр03Ц12С5, Бр03Ц7С5Н1, Бр05Ц5С5, Бр05С25, Бр010ФЛ и др. обычно имеют двухфазную структуру (ά + δ). Они химстойки, антифрикционны. Из них изготавливают запорную арматуру, подшипники скольжения. Фосфор вводят для легирования и лучшего раскисления от CuO, SnO.

Применяют так же алюминиевые бронзы (БрA5), алюминиевожелезистые (БрА9ЖЗ), алюминиевомарганцовистые (БрАМц 9 – 2), алюминиевожелезоникелиевые БрАЖН10 – 4 – 4), кремнистые (БрК3), кремниймарганцевые (БрКМц3 – 1), бериллиевые (БрБ2), бериллиевоникельтитановые 19), хромовые (БрХ05), хромосеребряные (БрХAg05 – 05), циркониевые (БрЦр07) и т.д. Эти бронзы имеют большую твердость и упругость, особенно бериллиевые. Алюминиевые бронзы применяются для изготовления втулок, флянцев, шестерен. Бериллиевая бронза закаливается с 800°С и подвергается старению при 300 – 350°С. Получается твердость 350 – 400 НВ. Она используется для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов и т.д.

Отличным антифрикционным материалом является свинцовистая бронза (БрС30). Из латуней, как конструкционных сплавов, изготавливают трубки, силь- фоны, гибкие гофрированные шланги, мелкий сортовой прокат, лист и т.д.

Из оловянистых бронз изготавливают антифрикционные изделия, подпят- ники, подшипники скольжения, втулки, пояски поршневых колец. Высоко- прочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, пружин, подшипников.

Из бериллиевой бронзы изготавливают упругие элементы манометров, приборов, пружины, мембраны. Хромистые и циркониевые бронзы используются в двигателестроении.

28-

Композиционные материалы

В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении в основном связаны с разработкой и широким применением композиционных материалов (композитов). Комбинирование различных веществ остается сегодня одним из основных способов создания новых материалов. Большинство современных конструкционных материалов представляют собой композиции, например железобетонные конструкции, стеклопластиковые баллоны давления, автомобильные шины и т.п. Во всех случаях – это система разных материалов, каждый из составляющих которой имеет свое конкретное назначение применительно к рассматриваемому готовому изделию. Ни резина, ни корд автомобильной шины не могут выполнять своей функции независимо, они используются совместно и должны рассматриваться как единая композиция. Таким образом, композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. Композиционные материалы делают с использованием “композитной” технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних. Гоночные яхты, легкие и прочные, делают из другого композита – стеклопластика: полимера, армированного стекловолокном. Это, можно сказать, классический пример современного подхода к композитам. Чтобы его создать, технологам пришлось отыскивать новые свойства традиционного материала. Например, из одного кубического сантиметра стекла можно вытянуть тончайшую нить в 450 километров. При этом свойства стекла разительно меняются. Оно совершенно теряет хрупкость, легко гнется и …растворяется в воде. Приходится прятать стеклянные нити от воздействия влаги внутрь фенолформальдегидных, эпоксидных и других водонепроницаемых смол. Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали, которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных. Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем, из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие (микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее распространенных материалов для получения композитов в наши дни. Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют нитевидные структуры, которые образуются при направленной кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти идеальный – отсюда и высочайшая прочность. В недалеком будущем можно представить: конструктор садится к компьютеру, набрасывает эскиз зубчатого колеса или другой детали, задает размеры, допуски, указывает, какими прочностными, температурными и прочими характеристиками должна обладать данная деталь в том или ином сечении. ЭВМ в своей памяти отыскивает композиционный материал, отвечающий заданным требованиям, и разрабатывает технологический процесс получения детали. Полученный техпроцесс передается на автоматизированную технологическую линию, где без участия человека изготавливается спроектированная деталь. Уже сегодня на вертолетах Камова доля композитов составляет более половины их веса, благодаря чему ресурс машины увеличился вдвое, а трудоемкость изготовления снизилась в 1,5-2,0 раза. По мнению специалистов, сверхзвуковые пассажирские самолеты второго поколения, которые появятся в небе уже в начале следующего столетия, будут на 60-70% состоять из композитов. Японские инженеры готовы начать выпуск автомобилей с керамическими двигателями, которым не нужна система охлаждения – ведь керамика выдерживает нагрев в тысячи градусов. А это позволит на 20-30% облегчить двигатель, уменьшить его габариты. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы. В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности. Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица. У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его деформировании обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Другая отличительная особенность волокнистой композиционной структуры – анизотропия свойств. По типу матриц композиционные материалы можно классифицировать (рис. 35) как материалы с полимерной матрицей, углеродной и металлической. Рис. 35. Детали конструкции автомобиля из композиционных полимерных материалов Композиты с полимерной матрицей в качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. В качестве армирующих элементов используют непрерывные и дискретные волокна различной природы (стеклянные, углеродные, органические, борные и т.д.), ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы.   Достоинства композитов с полимерной матрицей следующие: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность, радиопрозрачность стеклопластиков и т.п. К достоинствам этих материалов следует отнести также и то, что при их изготовлении относительно легко при умеренных температуре и давлении удается соединить армирующие элементы с матрицей. К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкие тепловая и радиационная стойкость, гигроскопичность, подверженность изменению физико-механических характеристик при старении и под действием климатических факторов. Композиты с углеродной матрицей. Низкая тепловая и эрозионная стойкость, а также некоторые другие недостатки полимерных композитов в основном определяются полимерной матрицей. Качественно новый уровень свойств материала позволяет получить карбонизация полимерной матрицы, реализуемая при образовании углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), представляющих собой систему углеродное волокно – углеродная матрица, подобную по физико-механическим свойствам углеродным волокнам, позволяющую наиболее полно реализовать в композите универсальные свойства углеродного волокна. УУКМ обладают рядом ценных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью, хорошей стойкостью к термоудару, низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам (возможность использования в химическом машиностроении, атомной энергетике и др.). В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще. Для них характерны высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости; эти материалы сохраняют стабильность своих характеристик в более широких температурных интервалах, чем материалы с полимерными матрицами. Для конструкционных композитов в качестве матричных составляющих преимущественно применяются алюминий, титан, сплавы на основе этих металлов, а также магниевые сплавы. В производстве и обработке рассматриваемых материалов необходимо различать получаемые на предварительной стадии полуфабрикаты композита (препреги), к которым относятся волокна с покрытиями, предварительно пропитываемые жгуты волокон, плетеные “ремни”, сетки, пористые ленты с одним слоем волокон. Впоследствии их используют в качестве элементов сборных многослойных заготовок, которые затем подвергаются процессам формообразования, раскроя, сварки, механической обработки. Технология получения композиционных материалов достаточно сложна, энергоемка и требует специальных вакуумных установок. Армирующие элементы волокнистых композитов (волокна) получают многими методами: механическими – вытягивание тонкой проволоки, разрезание фольги (как правило, из нержавеющей стали) и т.п.; из расплавленных металлов – фонтанирование через сопло, вытягивание из расплавленной капли и т.п.; химическими – выращивание нитевидных кристаллов (окислы алюминия, нитраты и карбиды кремния, волокна бора, волокна углерода). Реальная прочность металлических конструкционных материалов в 4-5 раз меньше теоретической, что во многом определяется нарушениями в кристаллической решетке этих материалов, объясняемыми дислокациями. Причем у цилиндрических поверхностей (волокон) чем меньше диаметр, тем количество дислокаций меньше и относительная прочность волокон выше, например, предельное напряжение на разрыв нити диаметром 22 мкм – 22 кг/мм^2, а у нити диаметром 2,5 мкм – 560 кг/мм^2. Примерно в 25 раз прочностные характеристики выше, потому что в тонких нитях дефектов меньше. Дислокации определяют характер пластического деформирования кристаллов, прочность металлов. Поэтому разработка новых технологий создания бездислокационных структур и использование нитевидных кристаллов являются перспективными. Оказывается, что максимальная прочность не у стальных волокон, а у волокон углерода. Будучи в 5 раз легче стали, они в 3 раза превосходят по прочности ее лучшие сорта. Покажем порядок выполнения технологических операций при получении композиционного материала с полимерной матрицей. В качестве упрочнителя используются арамидные волокна типа кевлар, которые вытягивают из синтетической смолы, родственной нейлону (или капрону). Технология сложна: · смолу (микромолекулы) растворяют в серной кислоте, удаляют примеси и пузырьки воздуха, пропускают через фильеру (нитеобразователь), затем нити направляют в осадительную машину (для термообработки). Получаем прочное и жесткое волокно; · из нитей плетут ткани различного переплетения; · готовят препрег (ткани арамидных волокон, пропитанные наполнителями и связующими); · препрег раскраивают и помещают в “стапели” – технологическую оснастку; · “стапель” помещают в автоклав (вакуумную установку) и в течение требуемого времени выдерживают при заданных температуре и давлении; при этом формируются деталь и сам композит, то есть совмещаются производство детали и материала. Покажем свойства композиционных материалов на примере углепластиков (упрочнитель – углеродные волокна, а матрица – полимерная смола): · высокая прочность, · радиационная стойкость, · высокая плотность, · морозостойкость, · низкий коэффициент термического расширения, · химическая стойкость, · регулируемые электрофизические характеристики, · вибропрочность в 5 раз выше, чем у металлов, · низкая энергоемкость при производстве, · недостатки: высокая стоимость. Углепластики находят применение от конструктивных элементов деталей машин до медицинского оборудования. Так использование композитов в самолете СУ-26М (до 50 % детали из углепластиков) привело к увеличению ресурса в 1,5-2 раза. Экономическую эффективность применения композитов можно представить из следующих рассуждений: · разница по удельному весу в 4 раза по сравнению со сталью, поэтому использование одной тонны стеклопластиков заменяет 4 тонны стали; · при изготовлении деталей методами резания до 50% материала идет в стружку, у композиционных материалов в отход уходит до 10%, что также дает экономию примерно в 2 раза. Следовательно, 1 тонна стеклопластика экономит 8 тонн выплавляемой стали; · вибропрочность, коррозионная стойкость композитов выше примерно в 2 раза, что делает их более долговечными. В конечном итоге при правильной эксплуатации на 1 тонну композитов приходится экономия 16-25 тонн выплавляемой стали. Спрос на композиционные материалы растет. Так, в странах западной Европы в 1977 г. использовано 350 тыс. тонн композитов, в 1986 г. – 1000 тыс. тонн, а к 2000 г. планируется использование 2000 тыс. тонн. В перспективе использование так называемых “интеллектуальных” композитов. Они более экономичны, чем материалы, получаемые металлургическими способами.