Классификация машиностроительных материалов
Материаловедение — наука о строении материалов, способах управления их составом и структурой, о влиянии состава и структуры на свойства материалов.
Материалы — это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач.
В технике материалы подразделяют на конструкционные и инструментальные.
Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей машин, изделий и конструкций, которые должны обладать определенным уровнем прочности, надежности и долговечности. При эксплуатации детали и конструкции из этих материалов должны противостоять внешним воздействиям, имеющим механическую, тепловую и химическую природу или их сочетание. Конструкционные материалы являются основными материалами в машиностроительном производстве.
Инструментальные материалы предназначены для использования в технологических циклах изготовления деталей и изделий, для обработки конструкционных материалов при операциях формообразования, механической обработки резанием, при обработке давлением, сварке и др., а также для изготовления измерительных инструментов.
В машиностроении от правильного выбора материалов, в том числе новых, зависит решение технических задач, связанных с повышением работоспособности и надежности конструкций и механизмов, уменьшением их массы и экономией средств.
Конструкционные материалы могут быть классифицированы по нескольким признакам.
По области применения конструкционные материалы подразделяют на машиностроительные, строительные и материалы с особыми свойствами — так называемые функциональные материалы, например, используемые в приборостроении или атомной энергетике.
Материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении, можно классифицировать в соответствии с различными признаками: химический состав, свойства, способы получения, назначение и т. п.
Наиболее общей является классификация материалов по их химической природе: металлические, неметаллические и композиционные материалы (рис. 1.1).
Основную группу конструкционных материалов представляют металлические материалы — металлы и сплавы. Их относят к неорганическим веществам. Металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные. Черные металлы — это железо и сплавы на его основе: стали и чугуны; цветные металлы — это алюминий, титан, медь, магний, никель, олово, свинец и сплавы на их основе. К цветным относят также тугоплавкие сплавы — на основе хрома, ванадия, молибдена, ниобия, тантала и вольфрама.
Неметаллические материалы могут быть как неорганическими, так и органическими. К органическим относят пластмассы на основе углеродных полимеров, резины, органическое стекло. Неорганические материалы — это техническая керамика, стекла, интерметаллические соединения типа металл — металл. Техническая керамика включает соединения различных элементов с кислородом (оксиды), углеродом (карбиды), азотом (нитриды), а также графит.
Композиционные материалы (композиты) сочетают в себе свойства нескольких материалов. Композиты получают в результате искусственного объединения двух или более разнородных компонентов с четкой границей между ними. Композиционные материалы могут состоять как из одинаковых по химической природе материалов (металл — металл, неметалл — неметалл), так и из сочетания металлических и неметаллических материалов.
По назначению конструкционные материалы классифицируют в соответствии с условиями работы деталей, выполненных из этих материалов. В машиностроении эти условия отличаются значительным разнообразием. Такие детали, как поршни двигателей, карданные валы, клапана двигателей, пружины, подшипники качения и скольжения, подвергаются при эксплуатации воздействию различных внешних факторов — механическим нагрузкам, температуре, влиянию внешней среды.
В зависимости от условий работы изделий их материал должен отвечать определенным требованиям к свойствам: статической и циклической прочности, пластичности, жаропрочности, хладостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и другим свойствам.
Виды механической нагрузки влияют на выбор материалов с различным уровнем характеристик:
• статической прочности (пониженной, средней, высокой);
• циклической прочности (выносливости);
• циклической контактной прочности;
• износостойкости;
• ударной вязкости.
При одновременном воздействии механической нагрузки и повышенной температуры используют жаропрочные материалы. С учетом температуры эксплуатации применяют материалы
• хладостойкие (климатические температуры);
• криогенные (температуры сжиженных газов);
• жаростойкие (повышенные температуры).
При агрессивном воздействии внешней среды используют коррозионно-стойкие материалы.
Инструментальные материалы по применению подразделяют на материалы
• для механической обработки резанием;
• для обработки давлением (прокатка, штамповка, прессование, волочение и т. п.);
• для измерительных инструментов.
С учетом технологии изготовления машиностроительные материалы на металлической основе подразделяют на литейные, деформируемые, гранулированные и порошковые. В случае применения литейных материалов основную форму и размеры изделия получают методом литья. При использовании деформируемых материалов для изготовления основной формы и размеров изделия необходимо несколько технологических этапов: литье, горячая и холодная деформация, а также механическая обработка резанием.
Гранулированные материалы получают из гранул, порошковые — из порошков с применением технологий порошковой металлургии: спекания, брикетирования, прессования и других видов деформации. Гранулы — это частицы или неразделимый конгломерат размером 1...10 мм. Порошок — это совокупность частиц твердого вещества, имеющих размеры 0,001...1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой в единое тело.