Конструкционные материалы: виды, свойства, применение

Что это? Конструкционные материалы используют для изготовления деталей, подвергающихся различным видам нагрузки (статической и динамической, вибрациям). Такие элементы, как правило, используют в машиностроении и строительстве.

Какие требования? Большое значение при создании конструкционных материалов уделяется их механическим свойствам: вязкости, пластичности, прочности, износостойкости, сопротивлению коррозии.

Виды конструкционных материалов

Конструкционные материалы чаще всего изготавливают из железосодержащих сплавов – чугуна и стали, медных – бронзы, латуни. Технологии по мере их развития требовали создания новых соединений, обладающих большей жаростойкостью, износостойкостью, электропроводностью и другими уникальными свойствами.

В основе классификации конструкционных материалов лежат:

• способы производства конструкционных материалов, которые могут изготавливаться пластическим деформированием (прокатом, ковкой, штамповкой, прессованием); термическими методами (спеканием, формовкой, склейкой, сваркой); диффузионным сращиванием;
• требования, связанные с условиями эксплуатации (жаропрочность, устойчивость к воздействию низкой температуры, коррозионная стойкость, износостойкость);
• прочностные свойства конструкционных материалов – малая, средняя прочность (с высокой пластичностью), высокая (с умеренной пластичностью).

Помимо указанных классов, конструкционные материалы подразделяются на подгруппы по:

• основному компоненту сплава (железные, алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые соединения);
• типу упрочнения (закалка, улучшение, цементация, цианирование, азотирование);
• структурному составу – аустенитные, ферритные, мартенситные.

Кроме того, конструкционные материалы могут в разной степени поддаваться обработке и обладать уникальными технико-экономическими особенностями, в том числе технологическими. Сплавы имеют различные степени обрабатываемости с помощью давления, резания, литья (жидкотекучесть, горячее растрескивание, порообразование), сварки. Если речь идет о полимерах, большое внимание уделяется скорости отверждения, а также текучести при нормальной или повышенной температуре.

Важное значение имеет экономическая эффективность, которая зависит от себестоимости, трудоемкости производства, дефицитности, коэффициента использования металла.

Большая часть типов стали, производимых современной металлургией, – это металлические конструкционные материалы (за исключением марок, которые используются в производстве других видов продукции). К примеру, большой перечень инструментальных видов стали, сплавы, из которых изготавливают нагревательные элементы, присадочную (сварочную) проволоку для полуавтоматов и множество других изделий, требующих наличия у металла особых физико-химических и технологических параметров.

Основная часть всех конструкционных материалов, широко применяющихся в современном машиностроении и других отраслях промышленности, представлена различными типами стали, прочность которых колеблется в диапазоне от 200 до 3 000 МН/м² (от 20 до 300 кгс/мм²) при пластичности до 80 %.

Свойства конструкционных материалов

Технология производства и обработки конструкционных материалов (стали, чугуна, сплавов цветных металлов) разрабатывается с учетом специфики условий эксплуатации готовых изделий (детали механизмов, приборов, специальной техники), работа которых может быть связана с экстремально низкой или высокой температурой, погружением в агрессивные среды, статическими, ударными, циклическими нагрузками.

Конструкционной прочностью материала принято называть его механические свойства в сочетании с жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими качествами. Это понятие носит комплексный характер и включает надежность, долговечность и ряд иных показателей, описывающих эксплуатационные характеристики конкретных изделий, деталей или элементов металлоконструкций.

Для того чтобы оценить конструкционную прочность металла или сплава, выбираются параметры, которые наиболее полно соответствуют эксплуатационным качествам детали механизма или конструктивного элемента. При определении данной характеристики для конкретного материала важно исходить из критериев оценки, относящихся к изделию, имеющему определенное назначение, которое будет выполнять свою работу, находясь под воздействием тех или иных нагрузок, перепадов температуры и других факторов.

Определяя конструктивную прочность сплава, необходимо исходить из условий эксплуатации готового изделия. Если они подразумевают воздействие статических нагрузок, наиболее важным будет определение предела текучести, временного сопротивления и твердости. При длительных циклических испытаниях на первый план выходит измерение предела выносливости. Опираясь на полученные данные, можно выполнить максимально точный расчет допустимых рабочих напряжений.

Надежность характеризует, насколько конструкционный материал противостоит хрупкому разрушению, часто приводящему к внезапному отказу в ходе эксплуатации, который в свою очередь может стать причиной серьезных аварий на трубопроводах, мостах, строительных конструкциях.

Для расчета надежности определяется относительное удлинение и уменьшение площади поперечного сечения образца под действием нагрузки, а также ударная вязкость сплава. При испытаниях учитываются масштаб, температурные условия, динамические усилия, концентраторы напряжения (надрезы).

Долговечностью называют способность конструкционного материала оказывать сопротивление постепенно накапливающимся повреждениям и разрушению изделия, вызванному усталостью, знакопеременными нагрузками, циклическим усилением и ослабеванием усилия, приходящимся на определенный временной промежуток, изнашиванием и коррозией металла, ползучестью, которая обычно наблюдается при высокой температуре и напряжениях. Важное значение имеет также износостойкость сплава.

Для повышения конструкционной прочности материала в современной промышленности широко применяют металлургические и технологические методы. В расплав вводятся легирующие добавки, заготовки подвергают термической, химико-термической, термомеханической обработке.

Конструкционная прочность металла зависит от плотности расположения дефектов кристаллической решетки. Если в структуре материала отсутствуют «усы», он по прочностным характеристикам приближается к теоретическим значениям, которые вдвое или втрое превышают техническую прочность металлических заготовок, прошедших термическую обработку (отжиг). Напряжения, концентрирующиеся в дислокациях, способствуют упрочнению. Чем больше их плотность и меньше подвижность, тем выше техническая прочность сплава в сравнении с аналогом, подвергнутым отжигу.

Для того чтобы повысить качество и техническую прочность конструкционных материалов, в состав сплава вводят легирующие элементы, которые увеличивают плотность дислокации (чужеродные атомы внедряются в кристаллическую решетку и искажают ее, уменьшая свободное перемещение дислокаций). Также применяются: механический наклеп, измельчение зерен, специальная термическая или термомеханическая обработка. Холодное пластическое деформирование (нагартовка) приводит к формированию плотности дислокаций от 1011 до 1012 на см², способствуя заметному повышению прочности.

Применение конструкционных материалов

Применение таких конструкционных материалов, как различные типы чугуна, охватывает разные области машиностроения. Из них изготавливают станины, коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры ДВС, детали, эксплуатация которых связана с воздействием температуры до +1 200 °С в кислых средах. Эти сплавы обладают прочностью, колеблющейся в диапазоне от 110 до 1350 МН/м² (у легированного магниевого сплава).

Прочность никелевых и кобальтовых сплавов, для выплавки которых используются вакуумные индукционные, плазменные или электроннолучевые печи, колеблется от 1000 до 1100 МН/м². Эти материалы широко применяют при изготовлении деталей двигателей самолетов, ракет, паровых турбин, механизмов, эксплуатация которых связана с воздействием агрессивных сред.

Демпфируемые алюминиевые сплавы обладают прочностью до 750 МН/м², литейные – до 550 МН/м². Их удельная жесткость существенно выше, чем у стали. Эти конструкционные материалы широко применяются в самолето- и вертолетостроении, космической промышленности, судостроении.

Многочисленные преимущества таких конструкционных материалов, как сплавы на основе титана, обусловили их широкое применение. Они имеют более высокие удельную прочность, коррозионную стойкость и жесткость, чем стальные и алюминиевые соединения в сочетании с прочностью, достигающей 1600 МН/м² и более. Из титановых сплавов изготавливают детали для двигателей в самолетостроении, аппараты для химических и нефтехимических производств, медицинские инструменты.

Также в современной промышленности широко применяются сплавы, основой которых служат медь, молибден, цирконий, хром и бериллий.

Технический прогресс выдвигает ряд более высоких требований к характеристикам уже существующих конструкционных материалов и служит стимулом для разработки новых. В некоторых отраслях промышленности для изготовления узлов и деталей с каждым годом все шире применяются легкие, жесткие и прочные композиционные соединения, которые дают возможность добиваться снижения веса, сохраняя и улучшая эксплуатационные характеристики.

Технологии обработки конструкционных материалов включают в себя, например, направленную кристаллизацию сплава, применяемую при производстве литых деталей. Этот способ используют при изготовлении газотурбинных лопаток, кристаллы в которых ориентированы по отношению к основным напряжениям так, что разгружаются границы зерен (слабое место любого жаропрочного сплава). Применение данного метода позволяет добиваться кратного повышения пластичности и долговечности.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.