Принципы выбора материаловСегодняшнее состояние образования, перспективы его развития трудно себе представить без таких понятий, как «глобализация», «устойчивое развитие», «Болонский процесс». Образование XХІ века призвано быть образованием для всех. Чем дальше продвигается наша цивилизация, тем в большей мере люди без образования вытесняются за грань условий жизни, достойных человека. Поэтому ущемление права на образование, в том числе и его неудовлетворительное качество, ведут к интеллектуальной и культурной деградации личности, что несовместимо с устойчивым развитием. Образование в настоящем веке должно иметь смыслообразующим стержнем этическую доминанту. Необходимо воспитывать детей в духе мира, взаимопонимания и терпимости, как непреложных императивов. Не менее важным императивом стало в ХХІ веке и экологическое воспитание. Творческий и новаторский характер образования, как ведущие тенденции, предполагают подготовку нового поколения к решению таких проблем, с которыми личность и общество еще никогда прежде не встречались. Наконец, образование в ХХІ веке должно быть многообразным, адекватным культурному и этническому многообразию человечества, удовлетворяющим всесторонние потребности социально-профессиональных и конфессиональных групп, равно как и индивидуальные духовные запросы.
Таким образом, в советский период сформировались представления о типе личности, нужной государству, преданной интересам партии, её идеалам, готовой продолжать дело строительства социализма, а затем и коммунизма. Интересы самой личности, ей потребности, возможности оставались второстепенными по отношению к интересам государственным. В постсоветский период акценты смещаются в сторону признания человека высшей ценностью, утверждаются права и свободы личности, её право на раскрытие и развитие природных способностей. В основание новых воспитательных парадигм были положены идеи гуманизма, антропоцентризма, свободы, духовности, национального достоинства. |
Принципы выбора материалов
Выбранный материал должен обеспечивать успешную работу изделия, детали в конструкции (изделии), прежде всего по показателям надежности в соответствующих условиях эксплуатации. Иначе говоря, при выборе материала должны быть удовлетворены поставленные требования (например, заданные ТУ, ТБ и т.д.) и было осуществлено это при наименьших затратах на собственно материал и на издержки, связанные с его обработкой.
Итак, главные принципы выбора материала изделия:
- необходимость удовлетворения предъявляемых к изделию требований и обеспечение заданной надежности во всех режимах его эксплуатации (например, высокая прочность, стойкость к ударным нагрузкам и т. д.);
- экономическая эффективность. Это широкое и не всегда однозначное понятие. Говоря об экономической эффективности, обычно имеют в виду обеспечение минимума стоимости материала (затраты на его производство, транспортировку и т.д.);
- технологичность материала при изготовлении изделия (обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость, штампуемость, возможность упрочняющей обработки и нанесения покрытий и т.д.);
- материалоемкость, требование напрямую связанное со стоимостью (экономической эффективностью); она отражается на энергозатратах при использовании изделия по назначению, т.е. включается в затраты на эксплуатацию. В ряде случаев, например, в летательных и водоплавающих аппаратах, материалоемкость деталей приобретает самодовлеющее значение, поскольку непосредственно связана с эффективностью их использования;
- дефицитность материала или входящих в него компонентов. Этот принцип отражает необходимость выбора существующих материалов и улучшения их с учетом таких фундаментальных экономических проблем, как
а) ограниченность природных ресурсов страны;
б) недостаток стратегических материалов и их ограниченность (все легирующие добавки, кроме Mn – 44% и W-8% (ванадий), относятся к стратегическим, в России их нет и они очень дорогие). К недефицитным легирующим элементам относятся марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий, бор, а к дефицитным – ниобий, молибден, медь, кобальт, свинец, тантал, никель, вольфрам, из которых особо дефицитными являются: никель, кобальт, вольфрам.
в) поддержание темпов экономического развития и роста производительности труда, конкурентоспособность на мировом рынке;
- Выбираемый материал, его исходные компоненты и побочно получаемые продукты не должны наносить ущерб здоровью человека (токсичность) и вред окружающей среде (экологическая безопасность).
2. Материалы их классификация
Материалы, из которых изготовляются различные изделия, можно разделить по признаку их применения в определенных отраслях народного хозяйства или видах техники. Например, машиностроительные, приборостроительные, электротехнические, строительные материалы или материалы лазерной техники, ядерные материалы и прочие.
Учитывая особенности специальности, получаемой на кафедре ТТХВ, остановимся на краткой характеристике машиностроительных (в том числе, боеприпасных) материалов, которые по своей природе разделяются на металлические и неметаллические. Последние в виде пластмасс, резины, керамики, ситаллов играют значительную роль в производстве изделий и в общем объеме материалов занимают все возрастающую долю.
По назначению машиностроительные материалы разделяются на конструкционные, инструментальные и материалы с особыми физическими свойствами (нержавеющие, магнитные, проводниковые, диэлектрики, тепло- и электропроводные и другие), т.е. на три класса. По своим эксплуатационным свойствам классы материалов разделяются на подклассы, которые, в свою очередь, делятся на группы и на подгруппы (рис 1-3).
Стали и сплавы конструкционные (рис.1) предназначены для различных металлоконструкций, деталей машин, механизмов, приборов, подвергающихся механическим нагрузкам. Они обеспечивают конструкционную прочность деталей, т.е. комплекс механических свойств, гарантирующих успешную работу деталей в условиях эксплуатации. В зависимости от условий работы, этими характеристиками могут быть: пределы прочности и текучести, упругости, жесткости, долговечности (предел выносливости, изностойкости), пластичность (относительное удлинение и относительное сужение площади поперечного сечения), ударной вязкости и т.д.
Рис. 1 – Классификация машиностроительных сталей и сплавов
По уровню прочности стали принято разделять на стали нормальной (средней) прочности (до 1000 МПа), повышенной прочности (от 1000 до 1500-1800 МПа) и высокопрочные (более 1800 МПа). Сплавы титановые с σв≥800 МПа и алюминиевые сплавы с σв≥ 450 МПа также относятся к сплавам повышенной прочности.
Итак, с учетом назначения изделий, условий работы и предъявляемыми к ним требованиями определяем класс металлических материалов. Так, если это силовая конструкция, детали машин, подвергающиеся различным механическим воздействиям, то выбирается класс 1.
Если же определяющим параметром детали является какое-либо из физических свойств – выбирается класс 2. Например, если требуется изготовить нагревательные элементы печи (группа 211) в первую очередь обращают внимание, насколько высоким является удельное электросопротивление, постоянно ли оно при нагреве, учитывая при этом и жаростойкость.
Наконец, если металл предназначен для изготовления инструмента, то выбирается класс 3. Специфика выбора материала в этом случае обусловлена назначением и видом инструмента. Режущие инструменты должны сохранять во время работы износостойкость, что обеспечивается высокой твердостью режущей кромки (высокоуглеродистые стали, подвергающиеся закалке). Кроме того, эффективность стали для режущего инструмента определяется ее теплостойкостью, что обуславливает допустимую скорость резания. Так, для резания с повышенными скоростями (50-70 м/с) следует применять теплостойкие стали высокой твердости (быстрорежущие), сохраняющие стойкость при нагреве до 500-6000С.
Для изготовления режущего и штампового инструмента можно применять твердые сплавы. Они превосходят стали по твердости, износостойкости и теплостойкости, но уступают им по прочности на изгиб. Твердые сплавы это спеченные порошковые материалы из высокотвердых тугоплавких карбидов со связующим – никелем, кобальтом, они разделяются на вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (Т) и титанотанталовольфрамовые (ТТ). Также в настоящее время получают распространение сверхтвердые инструментальные материалы на основе алмаза (баллас, карбонадо), нитрида бора (эльбор) и минералокерамики (оксидной, оксикарбидной и оксинитридной).
С учетом условий работы, характера нагрузки, деформаций и напряжений, определяют подкласс материалов. Применительно к классу 1 это могут быть стали и сплавы различной прочности, с повышенными технологическими и упругими свойствами, триботехнического назначения, устойчивыми к воздействию температуры (подклассы 11-16).
В рамках выбранного класса, подкласса, с учетом требуемых данных по нагружениям и условиям работы требуемого комплекса физико-механических свойств выбирают группы и подгруппы. Их выбор должен увязываться с видом упрочняющей обработки. Выбор не должен быть однозначным, здесь решается вопрос о выборе с учетом экономической эффективности (рис. 2).
Так, для деталей машин, подвергающихся механическим воздействиям (подгруппа 1112 и группа 113) применение углеродистых сталей нередко ограничивается их малой прокаливаемостью. Для повышения последней, применяется легирование сталей, которое кроме того, увеличивает их теплостойкость, жаростойкость и жаропрочность. Наиболее доступными легирующими элементами, повышающими прокаливаемость и частично теплостойкость, являются марганец, кремний, хром и ванадий; особенно эффективно в этом отношении комплексное легирование двумя-тремя и более элементами, включая дефицитные элементы – никель, молибден и вольфрам. Так, критический диаметр прокаливаемости при закалке в воде у сталей 40 равен 10 мм, 40Х – 30, 40ХН – 50, 40ХНМ – 100 мм, соответственно.
Рис. 2 - Стали различной прочности
При необходимости обеспечения высокой прокаливаемости и низкого порога хладноломкости используются стали с добавками никеля, причем для устранения отпускной хрупкости в них должен присутствовать и молибден (18Х2Н4МА, 40ХН2МА, 38ХН3МФА).
В качестве конструкционных применяются стали, работающие в специфических условиях, название этих сталей уже определяет их область применения. Например, стали с высокими упругими свойствами (группы 151 и 152). Наиболее общие из предъявляемых к ним требований – высокое сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационная стойкость – обеспечиваются термообработкой либо на углеродистых сталях (70, 85), либо на сталях, легированных кремнием и марганцем (55ГС, 60С), отличающихся большей прокаливаемостью. Более легированные стали (с Cr, W, Mo) целесообразно применять только в случае работы упругих элементов при повышенных температурах.
Стали и сплавы, работающие при повышенных температурах (подкласс 16), выбираются по основному признаку – температуре эксплуатации. Жаростойкие стали выбираются с учетом температуры начала интенсивного их окисления в окислительной (в том числе с сероводородом) или науглероживающей средах при температурах эксплуатации от 600-650 до 1100-11500С. Повышение жаростойкости достигается повышением содержания хрома (до 20-30%), а также добавками кремния и молибдена; для повышения стойкости в науглероживающих средах необходимо дополнительное легирование никелем (7-14%).
В случае работы при значительных механических нагрузках и при повышенных температурах, применяют перлитоферритные стали (400-5500С), высокохромистые ферритокарбидные (500-6000С), аустенитные стали с карбидным или интерметаллидным упрочнением (600-8500С). Для работы при еще более высоких температурах используют сплавы на никелевой и никель-кобальтовой основе, сплавы на основе тугоплавких металлов - Wn, Mo, Nb при условии защиты поверхности от окисления.
В качестве конструкционных могут выбираться металлы и сплавы нежелезной группы, если они лучше отражают специфику условий работы соответствующих деталей. Так, медные сплавы отличаются высокой пластичностью, низким коэффициентом трения (в парах скольжения), высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред и высокой теплопроводностью. Широко применяются сплавы – бронзы, латуни. Бронзы обладают хорошими литейными свойствами (у оловянных – малая усадка, у алюминиевых – хорошая жидкотекучесть). Наиболее прочными являются бериллиевые бронзы, кроме того, их прочность сочетается с повышенной коррозионной стойкостью и электропроводностью, но они также и наиболее дефицитные и дорогие.
Главное преимущество алюминиевых сплавов – малая плотность (2,7-3,0 т/м3) при достаточно высокой прочности. Недостаток – низкая износостойкость, невозможность упрочнения ХТО, низкий модуль упругости.
Еще более легкими конструкционными сплавами являются сплавы магниевые (1,7-1,8 т/м3), но их модуль упругости еще ниже и они пригодны лишь для малонагруженных деталей.
Титановые сплавы обладают рядом преимуществ: небольшая плотность (4,5 т/м3), высокую коррозионную стойкость, высокие прочностные характеристики при отсутствии хладноломкости, даже при низких температурах, хорошей жаростойкостью, хотя и меньшей, чем у сталей.
Неметаллические материалы (рис.3) классифицируются по различным признакам. Для удобства выбора и сопоставления со сталями и сплавами классификацию неметаллических материалов проведем также по назначению.
Выберите для примера два-три полимерных материала из разных областей применения, объясните по каким показателям он подходит для этой области применения.
Рис. 3 – Классификация неметаллических материалов
