Металлические конструкционные материалы. Неметаллические конструкционные материалы.

Металлические конструкционные материалы. Неметаллические конструкционные материалы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

• Конструкционные материалы - это металлические, неметаллические и композиционные материалы, обладающие комплексом свойств, позволяющих использовать их для изготовления деталей машин, механизмов и сооружений.

Металлические конструкционные материалы

1. Основные свойства металлических конструкционных материалов

• При выборе материалов для деталей машин конструктор прежде всего учитывает условия их эксплуатации, заданный ресурс времени безотказней работы, технологичность материала и экономическую целесообразность применения. В зависимости от этого конструктор подбирает материал с учетом его механических, физических, химических, технологических и эксплуатационных свойств.

К основным механическим свойствам относятся: прочность, пластичность, вязкость, упругость, твердость, хрупкость.

• Прочность - способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
• Пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения следствии пластической деформации.
• Деформация- изменение формы и размеров тела под действием внешних сил или в результате процессов, протекающих в самом, теле.
• Вязкость- способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил. Кроме понятия вязкости в технике и науке используют понятие вязкость разрушения.

• Вязкость разрушения - способность материала оказывать сопротивление распространению в нем трещин.
• Упругость- способность материала восстанавливать форму и размеры тела после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. От упругости зависит жесткость конструкции - способность сопротивляться деформации.
• Твердость- способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела, не получающего остаточной деформации при местном контактном воздействии.
• Хрупкость- способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без пластической деформации.

Физические свойства - это свойства материала, зависящие от внутреннего строения вещества, его атомно-электронной структуры.

К физическим свойствам относятся:

• плотность,
• тепло и электропроводность,
• коэффициент линейного

разрушения,

• теплоемкость,
• температура плавления.

Химические свойства

От химического состава вещества, атомно-электронного строения

зависят его химические свойства. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений, химических превращений в зоне контакта сочлененных пар или на поверхности изделия при взаимодействии с агрессивной средой. В результате такого взаимодействия происходит поверхностное окисление металла, насыщение его газами, образование ржавчины и т.п.

Технологические свойства

Технологические свойства - это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки. К технологическим 5 свойствам относят литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти свойства материала позволяют производить формоизменяющую обработку, получать заготовки, а из заготовок получают детали машин.

• Деформируемость- это способность материала принимать заданную форму под действием внешней нагрузки в процессе пластической деформации без разрушения.
• Свариваемость- способность материала образовывать прочные неразъемные соединения.
• Обрабатываемость- способность материала

поддаваться обработке резанием, критериями

обрабатываемости являются режимы

резания и качество (шероховатость)

обработанной поверхности.

• Совокупность технологических

свойств определяет технологичность материала.

К литейным свойствам относят жидкотекучесть и усадку металлов и сплавов.

• Жидкотекучесть- способность жидкого металла течь в каналах литейной формы и заполнять полости формы, образующие отливку.
• Усадка - уменьшение объема (линейных размеров) в процессе охлаждения отливки (слитка) в литейной форме. Полная объемная усадка εv включает объемную усадку в жидком состоянии εvж , объемную усадку при затвердевании εvз , и объемную усадку в твердом состоянии εvт

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства - это свойства материала, которые проявляются при эксплуатации изделия в различных условиях работы.

К эксплуатационным свойствам относят:

• износостойкость,
• коррозионную стойкость,
• хладостойкость,
• жаропрочность,
• жаростойкость,
• антифрикционность и т.п.

2. Классификация металлических конструкционных материалов

• Классифицируют металлические конструкционные материалы по различным признакам: по технологическому исполнению, по основным эксплуатационным характеристикам и назначению, по виду сплава и т.п. На первом этапе изучения металлов и сплавов важно уметь определить по марке к какой группе сплавов они относятся и в каком виде поступают и используются (прокат, отливки и т.п.).

• По технологическому исполнению металлические конструкционные материалы подразделяют на деформируемые, литейные и спеченные, что находит отражение в обозначении их марок.
• По виду сплава различают: черные металлы и сплавы цветных металлов. Черные металлы: стали и чугуны.

Сталь представляет собой многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14 %. Стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3 % , среднеуглеродистые - от 0,3 до 0,6 % углерода, высокоуглеродистые - более 0,6 % углерода. Легированные стали: низколегированные с общим количеством легирующих элементов до 2,5 % , среднелегированные - от 2,5 до 10,0 % , высоколегированные - содержание легирующих элементов более 10,0 %.

Чугун - многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14 % и затвердевающий с образованием эвтектики.

Основная классификация чугунов - это классификация по степени

графитизации.

Согласно этой классификации различают: белые чугуны,

графитизированные чугуны, половинчатые чугуны.

• Графитизированнне чугуны: серые чугуны (СЧ), высокопрочные чугуны (ВЧ), ковкие чугуны (КЧ).

Сплавы цветных металлов называют по основному металлу: алюминиевые,

магниевые, медные, титановые сплавы и т.п.

Их делят: сплавы легких металлов с удельным весом до 4500 кг/м3, сплавы тяжелых металлов с удельным весом более 4500 кг/м3.

• К легким сплавам относят: алюминиевые,

магниевые, титановые, бериллиевые сплавы, к тяжелым сплавам - медные,

медно-никелевые, цинковые сплавы, сплавы олова и свинца (баббиты),

сплавы благородных металлов (золота, платины, серебра). Сплавы меди с

цинком называют латунями, сплавы меди с оловом - оловянными бронзами.

Применение металлических конструкционных материалов

Цветные металлы и их сплавы

Группы металлов

• К тяжелым металлам относятся вещества, которые отличаются высокой плотностью. Это кобальт, хром, медь, свинец и др. Некоторые из них (свинец, цинк, медь) применяют в чистом меде, но обычно используют в качестве легирующих элементов.
• Плотность легких металлов — менее 5 г/см3. В этой группе относятся алюминий, натрий, калий, литий и др. Их используют как раскислители при изготовлении чистых металлов и сплавов, а также применяют в пиротехнике, медицине, фототехнике и других областях.
• Благородные металлы отличаются высокой устойчивостью к коррозии. В данную группу входят платина, золото, серебро, осмий, палладий, родий, иридий и рутений. Они применяются в медицине, электротехнике, приборостроении, ювелирном деле.
• Редкие металлы объединены в отдельную группу, так как имеют особые свойства, не характерные для других металлов. Это уран, вольфрам, селен, молибден и др.

• Также выделяется группа широко применяемых металлов . В нее входят титан, алюминий, медь, олово, магний и свинец.
• Сплавы на основе цветных металлов бывают литейные и деформируемые . Они различаются технологией создания заготовок: из литейных производят детали с помощью литья в металлические или песчаные формы, а из деформируемых делают листы, фасонные профили, проволоку и другие элементы. В этом случае используются методы прессования, ковки и штамповки. Литейные сплавы относятся к металлургии тяжелых металлов, деформируемые — к металлургии легких металлов.

Алюминий и его сплавы

• Алюминий — цветной металл, который имеет серебристо-белый оттенок и плавится при температуре 650°С. В периодической системе ему соответствует символ Al. Этот элемент занимает третье место по распространенности среди всех пород в земной коре (на первом месте — кислород, на втором — кремний). В атмосферных условиях на поверхности алюминия образуется оксидная пленка, препятствующая появлению коррозии.

Важные свойства алюминия:

• Низкая плотность — всего 2,7г/см3 (например, у меди — 8,94г/см3).
• Высокая электрическая проводимость (37*106 См/м) и теплопроводность (203,5 Вт/(м·К)).
• Низкая прочность в чистом виде — 50 МПа.
• Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.

Металл легко обрабатывается давлением. Находит широкое применение в электропромышленности: из алюминия изготавливают проводники электрического тока. При производстве стали его используют для раскисления. Из алюминия также делают посуду, однако она не подходит для приготовления солений и хранения кисломолочных продуктов — элемент неустойчив в щелочной и кислой среде. Некоторые стальные детали покрывают алюминием (процесс алитирования), чтобы повысить их жаростойкость. Из-за невысокой прочности алюминий практически не применяется в чистом виде.

Деформируемые сплавы алюминия

• Упрочняемые деформируемые сплавы алюминия — это дуралюмины (система А-Сu-Mg) и высокопрочные сплавы (Аl-Сu-Mg-Zn). Высокие механические свойства и небольшой удельный вес позволяют широко применять эти сплавы в области машиностроения, особенно — в изготовлении деталей для самолетов.
• Высокопрочные сплавы, помимо алюминия, меди и магния, содержат цинк. Обозначаются буквой В и числом, применяются для изготовления деталей сложной конфигурации, лопастей вертолетов, высоконагруженных конструкций.
• Неупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы — это сплавы алюминия с марганцем (маркировка — АМц1) и с магнием (AМг2 и АМг3). Они хорошо обрабатываются сваркой, вытяжкой, прокаткой, горячей и холодной штамповкой. Отличаются высокой пластичностью, но при этом не очень прочные. Они выпускаются преимущественно в виде листов, которые применяются для изготовления изделий сложной формы (заклепки, рамы и др.).

Литейные сплавы на основе алюминия

• Наиболее широкое применение получили литейные сплавы алюминия и кремния, которые называются силуминами. Они содержат более 4,5% кремния и обозначаются буквами АК с номером марки. Силумины сочетают малый удельный вес с высокими механическими и литейными свойствами. Они применяются для сложного литья авто-, мото- и авиадеталей, а также для производства некоторых видов бытовой техники — мясорубок, теплообменников, санитарно-технических арматур и др

Сплавы на основе меди

• Медь — цветной металл, который на поверхности имеет красный оттенок, а в изломе — розовый. В периодической системе Д.И. Менделеева обозначается символом Cu. В чистом виде металл имеет высокую степень пластичности, электро- и теплопроводности, а также характеризуется устойчивостью к коррозии. Это позволяет использовать медь и ее сплавы для кровель ответственных зданий.

Важные свойства металла:

• Температура плавления — 1083°С.
• Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.
• Плотность — 8,94 г/см3.
• Благодаря пластичности медь легко поддается обработке давлением, но плохо режется. Из-за большой усадки металл обладает низкими литейными свойствами. Любые примеси, за исключением серебра, оказывают большое влияние на вещество и снижают его электрическую проводимость.
• При маркировке меди используется буква М с числом, которое обозначает марку. Чем меньше номер марки, тем больше в ней чистого вещества. Например, М00 содержит 99,99 % меди, а М4 — 99 %.

Наиболее широкое применение в технике находят две группы медных сплавов — бронзы и латуни

Бронзы

• Бронзы — сплавы на основе меди, в которых легирующим элементом является любой металл, кроме цинка. Наиболее часто применяются сплавы меди со свинцом, оловом, алюминием, кремнием и сурьмой.
• Все бронзы по химическому составу делятся на оловянные и специальные, или безоловянные, то есть не содержащие в своем составе олова.
• Оловянные бронзы отличаются наиболее высокими литейными, механическими и антифрикционными свойствами, а также имеют повышенную устойчивость к коррозии. Из-за высокой стоимости олова эти сплавы применяют ограниченно.

Выделяются следующие виды специальных бронз:

• Алюминиевые. Они содержат от 5% до 11% алюминия, а также марганец, никель, железо и другие металлы. Эти сплавы обладают более высокими механическими свойствами, чем оловянные бронзы, однако их литейные свойства ниже. Алюминиевые бронзы служат для изготовления мелких ответственных деталей.
• Свинцовистые. В их состав входит около 30% свинца. Эти сплавы имеют высокие антифрикционные свойства, поэтому широко применяются в производстве подшипников.
• Кремнистые. Эти бронзы содержат примерно 4% кремния, легируются никелем и марганцем. По своим механическим свойствам почти соответствуют сталям. Применяются, в основном, для изготовления пружинистых элементов в судостроении и авиации.
• Бериллиевые. Содержат до 2,3% бериллия, характеризуются высокой упругостью, твердостью и износостойкостью. Эти бронзы используются для пружин, которые работают в условиях агрессивной среды.
• Все бронзы имеют хорошие антифрикционные показатели, коррозионную стойкость, высокие литейные свойства, которые позволяют использовать сплавы для изготовления памятников, отливки колоколов и др.

Латуни

• Латунями называют сплавы меди и цинка с добавлением других металлов — алюминия, свинца, никеля, марганца, кремния и др. В простых латунях содержится только медь и цинк, а многокомпонентные сплавы включают от 1% до 8% различных легирующих элементов, которые добавляют для улучшения различных свойств.

Марганец, никель и алюминий повышают устойчивость сплава к коррозии и его механические свойства.

Благодаря добавкам кремния сплав становится более текучим в жидком состоянии и легче поддается сварке.

Свинец упрощает обработку резанием.

• Процентное содержание цинка в любой латуни не превышает 50 %. Эти сплавы стоят дешевле, чем чистая медь, а благодаря добавлению цинка и легирующих элементов, они обладает большей устойчивостью к коррозии, прочностью и вязкостью, а также характеризуются высокими литейными свойствами. Латуни используют для изготовления деталей методами прокатки, вытяжки, штамповки и др.
• При маркировке простой латуни используется буква Л и число, обозначающее содержание меди. Например, марка Л96 содержит 96% меди. Для многокомпонентных латуней используется сложная формула: буква Л, затем первые буквы основных металлов, цифра, обозначающая содержание меди, а затем состав других элементов по порядку. Например, латунь ЛАМш77-2–0,05 содержит 77% меди, 2% алюминия, 0,05% мышьяка, остальное — цинк.

Магний и его сплавы

• Магний — цветной металл, который имеет серебристый оттенок и обозначается символом Mg в периодической системе.

Важные свойства магния:

• Температура плавления — 650°С.
• Плотность — 1,74 г/см3.
• Твердость — 30-40 НВ.
• Относительное удлинение — 6-17%.
• Временное сопротивление — 100-190 МПа.

Металл обладает высокой химической активностью, в атмосферных условиях неустойчив к образованию коррозии. Он хорошо режется, воспринимает ударные нагрузки и гасит вибрации. Так как магний имеет низкие механические свойства, он практически не применяется в конструкционных целях, зато используется в пиротехнике, химической промышленности и металлургии. Он часто выступает в качестве восстановителя, легирующего элемента и раскислителя при изготовлении сплавов.

При маркировке используются буквы Мг с цифрами, которые обозначают процентное содержание магния. Например, в марке Мг96 содержится 99,96% магния, а в Мг90 — 99,9 %.

Сплав магния

Деформируемые сплавы магния

• Наиболее распространены три группы сплавов на основе магния.

Сплавы магния, легированные марганцем

• Содержат до 2,5% марганца, не упрочняются термической обработкой. У них хорошая коррозионная стойкость. Так как эти сплавы легко свариваются, они применяются для сварных деталей несложной конфигурации, а также для деталей арматуры, масляных и бензиновых систем, которые не испытывают больших нагрузок. Среди данной группы — сплавы МА1 и МА8.

Сплавы системы Mg-Al-Zn-Mn

• В состав этих сплавов, помимо магния и марганца, входят алюминий и цинк. Они заметно повышают прочность и пластичность, благодаря чему сплавы подходят для изготовления штампованных и кованых деталей сложных форм. К этой группе относятся марки МА2-1 и МА5.

Сплавы системы Mg-Zn

• Сплавы на основе магния и цинка дополнительно легируются кадмием, цирконием и редкоземельными металлами. Это высокопрочные магниевые сплавы, которые применяются для деталей, испытывающих высокие нагрузки (в самолетах, автомобилях, станках и др.). К данной группе относятся сплавы марок МА14, МА15, МА19.

Литейные сплавы магния

• Самая распространенная группа литейных магниевых сплавов относится к системе Mg-Al-Zn. Эти сплавы практически не поглощают тепловые нейтроны, поэтому широко применяются в атомной технике. Из них также делают детали самолетов, ракет, автомобилей (двери кабин, корпуса приборов, топливные баки и др.). Сплавы магния, цинка и алюминия используют в приборостроении и в изготовлении кожухов для электронной аппаратуры. К данной группе относятся марки МЛ5 и МЛ6.

Цинк и его сплавы

• Цинк — цветной металл серо-голубоватого оттенка. В системе Д. И. Менделеева обозначается символом Zn. Он обладает высокой вязкостью, пластичностью и коррозионной стойкостью. 

Важные свойства металла:

• Небольшая температура плавления — 419 °С.
• Высокая плотность — 7,1 г/см3.
• Низкая прочность — 150 МПа.

В чистом виде цинк используется для оцинкования стали с целью защиты от коррозии. Применяется в полиграфии, типографии и гальванике. Его часто добавляют в сплавы, преимущественно в медные.

Существуют следующие марки цинка: ЦВ00, ЦВ0, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2 и Ц3. ЦВ00 — самая чистая марка с содержанием цинка в 99,997%. Самый низкий процент чистого вещества в марке Ц3 — 97,5%.

Сплавы цинка

Деформируемые цинковые сплавы

• Деформируемые сплавы цинка используются для производства деталей методами вытяжки, прессования и прокатки. Они обрабатываются в горячем состоянии при температуре от 200 до 300 ?С. В качестве легирующих элементов выступают медь (до 5%), алюминий (до 15%) и магний (до 0,05%).
• Деформируемые цинковые сплавы характеризуются высокими механическими свойствами, благодаря которым часто используются в качестве заменителей латуней. Они обладают высокой прочностью при хорошей пластичности. Сплавы цинка, алюминия и меди наиболее распространены, так как они имеют самые высокие механические свойства.

Литейные цинковые сплавы

• В литейных цинковых сплавах легирующими элементами также выступают медь, алюминий и магний.

Сплавы делятся на 4 группы:

• Для литья под давлением.
• Антифрикционные.
• Для центробежного литья.
• Для литья в кокиль.

Слитки легко полируются и принимают гальванические покрытия. Литейные цинковые сплавы имеют высокую текучесть в жидком состоянии и образуют плотные отливки в застывшем виде.

Литейные сплавы получили широкое применение в автомобильной промышленности: из них делают корпуса насосов, карбюраторов, спидометров, радиаторных решеток. Сплавы также используются для производства некоторых видов бытовой техники, арматуры, деталей приборов.

Неметаллические конструкционные материалы

• Неметаллические конструкционные (и иные) материалы — это большая группа материалов, изготовленных из органического и неорганического (минерального) сырья. К органическому сырью относятся древесина и продукты из нее, шерсть, волокна, кость, каучук и др., к неорганическому сырью — газ, нефть, воздух, вода, алмаз, глина, кварц, мрамор и различные горные породы.

Группы неметаллических конструкционных материалов

Из каждого вида сырья производится большая группа неметаллических конструкционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине, культуре, пищевой промышленности, быту и др.:

• пластмассы,
• слоистые пластики,
• стекло,
• красители, клеи, лаки,
• бумага, картон,
• шерстяные и хлопчатобумажные нити и ткани,
• строительные конструкции из древесины,

заготовки для мебели, фанера,

художественные изделия из кости и рога и др.

По способу производства (переработки) неметаллические конструкционные материалы подразделяются на следующие группы:

• материалы, полученные путем химической технологии (поликонденсация, полимеризация, вулканизация, синтез и другие виды химической обработки);
• материалы, полученные путем термической и термомеханической обработки (литье, спекание, штамповка, прессование и др.);
• материалы, полученные путем механической обработки (пиление, строгание, лущение, фрезерование, сверление, штамповка и др.);
• материалы, полученные путем комбинированной технологии, заключающейся в использовании двух и более перечисленных технологий (химической и термической, химической и механической).

Пластмассы

• Пластмассы — это композиционные материалы, получаемые на основе природных и синтетических полимеров. В машиностроении, приборостроении и во многих других отраслях промышленности пластмассы широко применяются как конструкционные материалы, а также для производства клеев, лаков и красок. Пластмассы имеют низкий удельный вес, высокую химическую стойкость, диэлектрические свойства и низкую теплопроводность и много других ценных свойств. Удельная прочность некоторых пластмасс значительно выше сталей.

Различают линейное, линейно-разветвленное, сетчатое и пространственное строение молекул полимеров

Строение молекул полимеров :  а — линейное; б — линейно-разветвленное;

в — сетчатое; г — пространственное

• Полимеризация  — химический процесс, при котором из низкомолекулярного вещества (мономера) в результате раскрытия кратных связей (под воздействием температуры, давления и гамма-излучения) образуется высокомолекулярное соединение без выделения побочных продуктов (воды, газов).
• Поликонденсация  — химический процесс, при котором в реакцию вступают низкомолекулярные вещества и за счет необратимого превращения (воздействие температуры, давления и др.) образуют полимерные соединения с выделением побочных продуктов (воды, газа и др.).

В названии некоторых пластмасс корень слова указывает на исходное вещество, а приставка «поли» — на то, что этот вид пластмасс получен реакцией полимеризации. Как правило, это материал термопластичный (вторично обратимый): полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и др.

Виды и состав пластмасс.

• Ненаполненные  (винипласт, органическое стекло и др.)- пластмассы, состоящие из синтетических смол с небольшим количеством специальных добавок (смазок, стабилизаторов, пластификаторов и др.).
• Наполненные  (фенопласты, стеклопластики, гетинакс и др.)- пластмассы, в состав которых кроме смолы с целью получения заданных свойств вводятся различные виды наполнителей и другие специальные вещества (смазки, отвердители, красители и др.)

В состав наполненных пластмасс кроме связующей смолы (40 … 60 %) допускается ввод наполнителей (до 60 %). Большое количество наполнителей не допускается, так как, например, для группы фенопластов превышение количества наполнителей свыше 60 % ведет к ухудшению физико-механических и химических свойств этих пластмасс. Однако, учитывая то, что наполнители в несколько раз дешевле смол, их вводят в максимально допускаемом количестве, так как это уменьшает стоимость пластмасс.

• Пластифицированные- пластмассы, в состав которых вводят пластификаторы (до 5 %), придающие материалу гибкость, эластичность.

Группы пластмасс:

Существует две группы пластмасс: сырьевые и поделочные. 

• Сырьевые  пластмассы выпускаются в виде пресс-порошков, крошки, гранул различной формы и размеров; 
• Поделочные  пластмассы — в виде листов, блоков, пленок и т. д. (например, текстолит, эбонит, органическое стекло и др.).

Классы пластмасс:

В зависимости от способов получения и вида связей между молекулами полимеров, а также их свойств различают три класса пластмасс: термореактивные, термопластичные и пресс-материалы. 

• Термореактивные  пластмассы (реактопласты) — это материалы, которые под воздействием теплоты и давления переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, могут перерабатываться только один раз методом прессования на прессах, при повторном нагревании теряют способность к формованию. К реактопластам относятся аминопласты, фторопласты, фенопласты и др.
• Термопластичные  пластмассы (термопласты) — это материалы, которые неоднократно перерабатываются литьем под давлением. Термопласты вторично обратимы. Это — полиэтилен, полистирол, капрон и др.
• Пресс-материалы  — это сложные по составу смеси, состоящие из синтетических смол (связующих), наполнителей, отвердителей, смазывающих веществ, красителей и др.

Характеристика компонентов, входящих в состав пластмасс. 

• На основе  фенолформальдегидных смол   получают самое большое количество пластмасс. Фенолформальдегидная смола получается путем поликонденсации фенола и формальдегида. Фенолформальдегидные смолы подразделяются на новолачные 1  и резольные. Новолачные смолы термопластичные, а резольные — термореактивные. 
• Фенолфурфурольные смолы   — это смолы, полученные путем реакции поликонденсации фенола с фурфуролом. На их основе получают пресс-материалы, которые обладают более высокой текучестью и однородностью, чем фенолформальдегидные смеси. Фенолфурфурольные смолы используются при изготовлении изделий сложной конфигурации в тех же областях, где применяются изделия на основе фенолформальдегидных смол.

• Карбамидные смолы   получают путем поликонденсации карбамида (синтетической мочевины) или меланина и некоторых других соединений с формальдегидом. Карбамидные смолы бесцветны, поэтому пресс-порошки на их основе можно окрашивать в любые цвета. Карбамидные смолы не токсичны, и поэтому изделия из них могут использоваться при изготовлении посуды, тары и товаров народного потребления. Материалы на основе этих смол достаточно жаростойкие, их применяют для изготовления абажуров для ламп, светильников, а также для декоративной отделки помещений.
• Эпоксидные смолы  выпускаются твердыми и жидкими. Более распространены жидкие смолы, так как их легко перерабатывать в изделия. При отверждении жидких эпоксидов требуется добавка отвердителей. Эпоксидные твердые смолы отвердевают только при повышенных (120 … 200 °С) температурах и применяются в виде шпатлевок и др. Жидкие эпоксидные смолы отвердевают при введении отвердителя как при нагреве, так и при охлаждении, применяются в виде клеев и связующего при производстве стеклопластиков. 
• Полиэфирные смолы  — это полимеры, получаемые методом поликонденсации многоатомных спиртов (глицерина, этиленгликоля и др.) с двухили многоосновными кислотами (фолиевой, адипиновой и др.). Эти смолы химически стойки, обладают высокими диэлектрическими свойствами. Жидкие полиэфирные смолы затвердевают при небольшой температуре (до 60 °С) без значительного давления.

• Наполнители  — это природные дешевые, доступные материалы, которые добавляют в пресс-материалы с целью придания специальных свойств и снижения стоимости получаемых изделий. Наполнители бывают органические (лигнин, древесная мука и др.) и неорганические (слюда, тальк, графит и др.). Наполнители подразделяются на порошковые (тальк, каолин, древесная мука, графит), крошкообразные (опилки, бумажная, текстолитовая, асбестовая крошка и др.), волокнистые (стекловолокно, асбестовое волокно, вата).
• Отвердители   — вещества, применяемые для ускорения процесса поликонденсации (реакции отвердения). Для каждого вида смолы применяется определенный вид отвердителя. Например, для отверждения новолачной смолы при изготовлении изделий из пресс-порошков в качестве отвердителя применяется уротропин.
• Стабилизаторы   — это различного рода органические и минеральные вещества, добавляемые для стабилизации свойств материала, увеличения их службы.
• Смазывающие вещества  увеличивают текучесть пресс-материала, уменьшают трение между составными частями композиции пресс-порошка, исключают прилипание пресс-материала к прессформам. В качестве смазывающих веществ применяют стеариновую и олеиновую кислоты.
• Красители   могут быть неорганического и органического происхождения. Неорганические красители (пигменты) — это оксиды металлов (свинца, хрома, цинка), органические — жаростойкие пигменты, лаки и др.

Резины

Общие сведения.

• Изделия из резины обладают специфическими свойствами: высокой эластичностью, большими обратными деформациями (упругость), стойкостью к воздействию масел, растворителей, кислот, щелочей, незначительной водо- и газопроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой прочностью, износостойкостью, способностью работать при пониженных и повышенных температурах. Все это обусловило ее широкое использование в различных областях промышленности. Основными потребителями резиновых изделий являются современный транспорт, электротехническая промышленность, горнодобывающая и угольная отрасли, сельскохозяйственные машины. Резина идет на изготовление игрушек, одежды, предметов гигиены, санитарии и др.
• Резина изготавливается на основе каучука с добавлением 10 — 15 разнообразных веществ (ингредиентов) и представляет собой многокомпонентную систему. В конце цикла производства резина приобретает ценные технические свойства в результате вулканизации, т. е. нагрева резиновой смеси с серой. Технические свойства резин зависят главным образом от применяемого типа каучука и ингредиентов.

• В процессе эксплуатации резиновые детали соприкасаются с растворителями, бензином, маслами, агрессивными средами, подвергаются низким и высоким температурам и т. д., поэтому создание резин, обладающих стойкостью к вышеуказанным факторам, весьма важная задача. Это стало возможным благодаря применению синтетических каучуков, а введением различных ингредиентов в состав резин на основе натуральных каучуков лишь частично удается уменьшить набухание резины.
• Масло- и бензостойкие резиновые изделия изготавливаются на основе бутадиен-нитрильных или хлоропреновых каучуков, теплостойкие резиновые детали — на основе силаксановых и фторсодержащих полимеров. Сопротивление динамическим деформациям и износу автомобильных шин достигается применением натуральных, изопреновых и бутадиеновых, а также бутадиен-стирольных каучуков.

Натуральный каучук. 

• Каучук, полученный из растений, называется натуральным. Каучуковые деревья произрастают в странах с тропическим климатом: Индонезии, Индии, Бразилии, Шри-Ланке. Высота бразильской гевеи достигает 30 м и более. Кора дерева надрезается, и из млечных сосудов вытекает слабощелочной сок — натуральный латекс, в котором имеются мельчайшие частицы каучука — глобулы. При воздействии на латекс водой, уксусной или муравьиной кислотой оболочка глобул разрушается, образуя каучук. Этот процесс называется коагуляцией латекса.
• Основными свойствами натурального каучука являются пластичность и эластичность.

• Пластичность   — свойство материала сохранять часть деформации после прекращения внешних воздействий на сырую, невулканизированную резину. При этом за счет пластичности можно изготовить заготовки различной формы и размеров.
• Эластичность  — это способность уже вулканизированных деталей изменять свою форму под действием внешней нагрузки и моментально восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.

Резиновая смесь.

• Любая резиновая смесь состоит из каучука и других компонентов, называемых ингредиентами. Содержание в резиновой смеси каучука колеблется в очень широких пределах от 6 до 92 %. Введение ингредиентов в состав резиновой смеси и вулканизация существенно изменяют свойства каучука.

Ингредиенты в зависимости от их назначения подразделяются на следующие группы:

• каучуки натуральные и синтетические;
• вулканизующие вещества — сера, фенолформальдегидная смола, оксиды металлов;
• ускорители вулканизации — тиурам, тиазол, дитиокарбонаты, сульфанамиды, гуанидины, альтакс, каптакс;
• активаторы вулканизации — оксиды цинка, свинца, магния, стронция, кальция, кадмия, висмута;
• противостарители — фенолы, амины, диариламины, эфиры, фосфористые кислоты, воски, парафины, сантофлекс;
• пластификаторы (мягчители) — вещества, получаемые из нефти, переработки каменного угля, растительного происхождения, жирные кислоты (нафталины, нефтяные смолы, рубракс, нефтяной пек, каменноугольные смолы, канифоль, гарпиус, сосновая смола, олеиновая кислота и т. д.);
• наполнители — сажи ДГ-100, ДУГ-88, ТМ-70, ТМ-50, ТМГ-33, ТМ-30, ТМ-15, минеральные наполнители (коллоидная кремний-кислота, оксид алюминия, фторид кальция, каолины, бентонит, диатомит, оксид магния, цинка, мел, барит, гипс, пемза, тальк, молотая слюда);
• красители — неорганические и органические пигменты, титановые белила;
• порообразующие вещества для губчатых резин;
• абразивные вещества для шлифовальных материалов;
• антипирины, снижающие горючесть резины;
• фунгициды для тропических резин;
• опудривающие материалы.

Эбонит

• Эбонит, или твердая резина, — это жесткий, вязкий материал, обладающий некоторой эластичностью и гибкостью. В эбонитах содержится значительно больше серы, чем в мягких резинах, поэтому процесс вулканизации протекает при меньших температурах и времени. Эбонит высокого качества — это смесь натурального каучука и серы. Для повышения прочности эбонита, кислотостойкости и тепло- и маслостойкости, а также улучшения диэлектрических свойств в смесь вводят различные компоненты.
• Наполнителями эбонитовых смесей служат эбонитовая или угольная пыль, пластификатором — вазелиновое масло. Сажу вводят в ограниченном количестве (3 … 5 %), так как она ухудшает диэлектрические свойства. Являясь хорошим диэлектриком, химически инертным, водостойким, эбонит используется в автотракторной, химической, радио- и электротехнической промышленности. Из него изготавливают эбонитовые стержни, пластины, аккумуляторные емкости и комплектующие детали к ним.

Древесина

• Древесина – экологически чистый материал, хорошо сопротивляется статическим и динамическим нагрузкам, весьма легкий и в то же время прочный. На сжатие вдоль волокон по прочности древесина не уступает бетону, а при изгибе – значительно превосходит его. Благодаря высокой пористости (30…80%) древесина имеет малую теплопроводность (0,16…0,30 Вт/м · К). Она легко поддается механической обработке, хорошо склеивается, удерживает металлические крепления (гвозди, шурупы, скобы). Современные передовые технологии в сочетании с уникальными природными свойствами древесины позволяют создавать долговечные деревянные конструкции, восхищающие своей красотой и совершенством.

Состав и строение древесины

• Растущее дерево состоит из трех частей: корневой системы, ствола и кроны. Все они в большей или меньшей степени имеют практическое значение. Однако ствол является основным источником строительной древесины, к которой относят лигноцеллюлозное вещество между сердцевиной и корой дерева, т.е. внутреннюю составляющую, лежащую под корой (СТБ EN 844-1). На долю ствола в зависимости от породы дерева приходится от 65 до 90% всего объема дерева. В зависимости от породы и климатических условий произрастания стволы деревьев имеют различную длину (7…100 м) и толщину, т.е. диаметр (6…100 см). В отдельных случаях длина ствола может превышать 100 м (секвойя), а диаметр – 3 м (дуб, тополь). По высоте ствол тоже имеет не одинаковую толщину: нижняя часть дерева значительно толще, чем верхняя, и называется комлевой.

В углеводную часть древесины входят целлюлоза, глюкоза, сахар, гемицеллюлоза. 

• Целлюлоза  (от фр.  cellulose  – клетка, клетушка) является скелетным материалом, имеет волокнистое строение, длинные нити которого соединены между собой множеством водородных связей, что придает ей высокую механическую прочность при сохранении эластичности.
• Лигнин  (от лат.  lignum  – дерево, древесина) – аморфное безуглеводное вещество, располагается в клеточных стенках и межклеточном пространстве и скрепляет (цементирует) целлюлозные волокна между собой. 

Состав древесины: 1 – гемицеллюлоза; 2 – лигнин; 3 – целлюлоза

Небольшую часть древесины (2…4%) составляют экстрактивные вещества и около 1% – минеральные.

• Экстрактивные вещества в отличие от углеводов и лигнина являются низкомолекулярными соединениями. В их состав входят смолы, смоляные кислоты, эфирные масла, красители, белки, дубильные вещества и др. Несмотря на незначительное их содержание, они придают древесине цвет, запах, вкус, определяют токсичность, способствуют сопротивлению гниению, поражению грибками и т.д.

• Минеральные вещества поступают в древесину из почвы через корневую систему и проводящие ткани и состоят преимущественно из солей кальция и магния. При сгорании древесины они превращаются в золу, наибольшее количество которой получается из коры и листьев.

  Строение древесины:

Строение древесины изучают по трем основным разрезам ствола (рис. 2):

поперечный, или торцовый, – по плоскости, перпендикулярной оси ствола и направлению волокон;

радиальный – продольный, проходящий через сердцевину по радиусу ствола (вдоль сердцевинных лучей);

тангенциальный – проходящий вдоль ствола на некотором расстоянии от сердцевины касательно к годичным слоям (перпендикулярно сердцевинным лучам и радиусу ствола).

Строение древесины: а – главные разрезы и основные части ствола дерева: П – поперечный (торцовый); Р – радиальный; Т – тангенциальный; 1 – кора; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – сердцевина; 5 – ядро; б – микроструктура сосны: 1 – годовой слой; 2 – сердцевинный луч; 3 – вертикальный смоляной ход; в, г – структура древесины при увеличении в 750 раз

По сечению от периферии к центру в составе ствола дерева различают кору, луб (волокнистая ткань), камбий и собственно древесину, состоящую из заболони, ядра и сердцевины

Поперечный разрез ствола дерева:

1 – сердцевина; 2 – ядро;

3 – заболонь; 4 – камбий;

5 – луб; 6 – кора

Свойства древесины

• Свойства древесины определяются, прежде всего, структурой и составом ее пород. Причем в пределах одной и той же породы ее свойства могут различаться в зависимости от возраста дерева, места и условий произрастания, влажности, способов переработки и многих других факторов. Важнейшими декоративными и эстетическими свойствами древесины являются ее цвет, текстура и блеск.

• Цвет  древесины является важнейшим диагностическим признаком, служит, как правило, для распознавания породы дерева и изменяется в довольно широких пределах – от светлого у ели до черно-коричневого у черного ореха. Многообразие цветов и оттенков придают древесине в основном красящие, дубильные и смолистые вещества, которые находятся в полостях клеток. Но яркость и колорит могут изменяться под воздействием многих факторов: в зависимости от возраста, условий произрастания, времени после срубки и т.п.
• Текстура  древесины – это визуальная характеристика, т.е. естественный рисунок на ее поверхности, образующийся при распиливании (перерезании) слагающих древесину анатомических элементов (волокон, годичных слоев, сердцевинных лучей, крупных сосудов), и зависит, прежде всего, от особенностей строения и направления разреза. Чем сложнее строение древесины, тем разнообразнее ее текстура. Особенно выразительна текстура древесины у лиственных пород: дуба, бука, ореха, клена и др. Хвойные породы, как правило, обладают более однообразной текстурой. Торцовый срез дает концентрические окружности, радиальный – продольные полосы, тангенциальный – извилистые линии (рис. 5).

Текстура различных разрезов ствола дерева:

1 – поперечного; 2 – радиального; 3 – тангенциального

• Блеск  древесины определяется плотностью породы, направлением разреза, наличием сердцевинных лучей, их размерами и характером размещения. Чем крупнее сердцевинные лучи (например, у дуба) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (например, у клена), тем значительнее будет блеск древесины.
• Плотность  древесины влияет на ее свойства и, особенно, прочность. Различают истинную и среднюю плотность древесины.  Истинная плотность  у всех пород примерно одинаковая и составляет 1,54…1,56 г/см3, поскольку древесина состоит в основном из одного вещества – целлюлозы.  Средняя плотность  древесины разных пород изменяется в довольно широких пределах: от 150 кг/м3 (бальза, или бальзовое дерево) до 1300 кг/м3 (бакаут, или железное дерево). Однако для наиболее широко применяемых в строительстве пород она составляет от 450 кг/м3 (у ели) до 700 кг/м3(у дуба).
• Пористость  древесины связана с ее плотностью и изменяется в пределах 30…80%, т.е. практически большую часть объема древесины занимают поры.
• Влажность  древесины растущего дерева может составлять 35…115%. Различают  гигроскопическую влагу  в древесине – связанную в стенках клеток,  капиллярную , или свободную, – заполняющую полости клеток, сосуды и межклеточное пространство, и  полную  – арифметическую сумму гигроскопической и капиллярной влаги. Влагу, входящую в химический состав веществ, образующих древесину, называют  химически связанной .

• Усушка древесины – это уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с началом удаления связанной влаги. В различных направлениях срезов ствола полная усушка древесины (от свежесрубленного до абсолютно сухого состояния) неодинакова и в зависимости от породы дерева составляет: линейная усушка – 0,1…0,3% (1…3 мм на длине 1 м), в радиальном направлении – 3…6% и в тангенциальном – 7…12% (7…12 см на 1 м).
• Деформации разбухания аналогичны деформациям усушки, но противоположны по знаку. Разбухание древесины происходит при поглощении влаги до предела гигроскопичности. Увеличение содержания свободной влаги не вызывает разбухания. Поглощение влаги и ее испарение происходит в основном через торцевые поверхности, поэтому бревна растрескиваются чаще всего по торцам. Усушка и разбухание учитываются при изготовлении элементов деревянных конструкций.

• Коробление может быть поперечным и продольным. Поперечное коробление выражается в изменении формы сечения пиломатериалов. Происходит из-за разницы усушки в радиальном и тангенциальном направлениях. У сердцевинных досок уменьшаются размеры к кромкам. Доски, у которых внешняя часть расположена ближе к тангенциальному направлению, усыхают больше, чем внутренние, имеющие радиальное направление. Для предотвращения коробления пиломатериалов необходима правильная их укладка, хранение и сушка до равновесной влажности, которую она будет иметь в условиях эксплуатации.
• Теплопроводность древесины зависит от пористости, плотности, породы дерева, направления волокон, влажности и температуры. В среднем теплопроводность древесины составляет 0,16…0,30 Вт/(м · К). Однако вследствие анизотропности строения теплопроводность древесины вдоль волокон почти в 2 раза выше, чем поперек, например для сосны соответственно 0,35 и 0,17 Вт/(м · К). Она также выше в радиальном направлении по отношению к тангенциальному.

• Прочность древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывании и зависит прежде всего от ее плотности, пористости, содержания поздней древесины, наличия пороков, влажности, направления приложения механических сил и других факторов. Ввиду анизотропности и волокнистого строения прочностные показатели древесины в разных направлениях значительно отличаются друг от друга. Например, прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4–6 раз больше, чем поперек, и составляет для сосны соответственно 100 и 20…25 МПа.
• Твердость древесины определяет ее износостойкость и способность к механической обработке. Чем выше твердость древесины, тем лучше изделия противостоят износу и тем труднее она обрабатывается. Твердость зависит от многих факторов: породы дерева, места произрастания, времени заготовки, плотности, влажности, содержания в годичных слоях поздней древесины и неодинакова по всем направлениям. Например, твердость торцовой поверхности у лиственных пород выше радиальной и тангенциальной примерно на 30%, у хвойных – на 40%. По степени твердости (СТБ 1870) породы подразделяются на мягкие, статическая торцовая твердость которых составляет 49 Н/мм2 и менее (сосна, ель осина, ольха, липа и др.), и твердые – 50 Н/мм2 и более (дуб, клен, ясень). Твердость является особенно важной характеристикой качества древесины, применяемой для покрытия пола.
• Важными свойствами древесины как строительного материала являются также жесткость, деформативность, модуль упругости, коэффициент конструктивного качества и др. Однако качество или сортность древесины, в отличие от некоторых других видов строительных материалов, устанавливают не по прочностным показателям, а по допускаемым порокам.

Сортимент древесных материалов и изделий

• Лесоматериалом  считается древесина в виде растущих и срубленных деревьев или продуктов их обработки путем поперечного или продольного деления (пиления, раскалывания, строгания, лущения, фрезерования, измельчения) и сохранившая природную физическую структуру и химический состав.
• Круглые лесоматериалы  (СТБ 1711, СТБ 1712) представляют собой отрезки древесных стволов, очищенные от коры и сучьев (бревна, кряжи и чураки). В зависимости от толщины или диаметра верхнего торца (отруба) их подразделяют на  мелкие  (подтоварник) – диаметром 6…13 см и  бревна  (средние – диаметром 14…24 см и крупные – от 25 см и более). Бревна представляют собой круглый лесоматериал, предназначенный для использования в круглом виде или в качестве сырья для выработки пиломатериалов общего назначения (ГОСТ 17462).

Современной разновидностью бревен являются  оцилиндрованные бревна  ( фрезерованные ), которые прошли механическую обработку на специальном оборудовании и имеют одинаковый диаметр по всей длине.

Оцилиндрованные ( а ) и фрезерованные ( б ) бревна

• Пиломатериалы  (СТБ 1713, СТБ 1714) – это продукция установленных размеров и качества, имеющая как минимум две плоскопараллельные пласти. Поэтому пиломатериалы могут быть сквозной (обычной), радиальной (с преимущественным направлением пропилов, близким к радиусам годичных слоев древесины) и тангенциальной (по касательной к годичным слоям древесины) распиловок.

Разновидности распила древесины: 1 – тангенциальный; 2 – радиальный; 3 – полурадиальный (смешанный)

В результате распила получают:

• брусья  – бревна, опиленные с двух, трех или четырех сторон (двух-, трех- и четырехкантные) и имеющие ширину и толщину 100 мм и более;
• бруски  – пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной не более двойной толщины;
• доски  – пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной более двойной толщины (ГОСТ 18288).

  Изделия и полуфабрикаты

• Шпон  (от нем.  Span  – щепка, подкладка) представляет собой тонкие слои (срезы) натуральной древесины, получаемые строганием брусьев (строганый шпон), лущением коротких пропаренных колод (лущеный) или пилением заготовок (пиленый). Толщина шпона в зависимости от способа получения составляет 0,1…12 мм 

Модифицированная древесина 

• Модифицированная древесина  – это цельная древесина с направленно измененными свойствами (ГОСТ 23944, ГОСТ 24329). Получают способами термомеханической, химико-механической, термохимической, радиационно-химической и химической модификации. В результате, в зависимости от способа модификации, изменяются в различных пределах макроструктура и цвет древесины; текстура становится более выразительной; увеличиваются плотность (до 800…1400 кг/м 3 ), прочность, твердость, ударная вязкость; понижаются гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, разбухание и усушка; стабилизируются геометрические размеры изделий; разрушаются вещества, служащие питательной средой для образования грибка и плесени; повышается долговечность древесины при незначительном в отдельных случаях снижения прочности и гибкости. 

Используемые источники:

• Технологические процессы машиностроительного производства. Технология конструкционных материалов. Металлические конструкционные материал, определение их механических свойств. Методические указания по выполнению лабораторной работы № 1 для студентов всех форм обучения и специальностей. - Брянск: БГТУ, 2017. - 20 с.
• https://extxe.com/13705/nemetallicheskie-materialy /
• https://ferrolabs.ru/blog/tsvetnye-metally-i-ikh-splavy /
• https://extxe.com/7483/drevesina-materialy-i-izdelija-na-ee-osnove /
• Кузнецов, В.Г. Руководство к лабораторным работам по курсу «Новые конструкционные материалы» : учебное пособие / В.Г. Кузнецов, Р.С. Шайхетдинова ; Министерство образования и науки России, Казанский национальный исследовательский технологический университет. – Казань : Казанский научно-исследовательский технологический университет (КНИТУ), 2016. – 224 с. : табл., граф., ил. – Режим доступа: по подписке. – URL:  http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=560685  (дата обращения: 01.06.2020). – Библиогр. в кн. – ISBN 978-5-7882-2011-6. – Текст : электронный.
• Технология конструкционных материалов : учебное пособие / ред. М.А. Шатерин. – Санкт-Петербург : Политехника, 2012. – 599 с. : схем., табл., ил. – Режим доступа: по подписке. – URL:  http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=129582  (дата обращения: 01.06.2020). – Библиогр. в кн. – ISBN 5-7325-0734-5. – Текст : электронный.