Никоноров П. (сост.) Материалы в Приборостроении и автоматике

М АТЕРИАЛЫ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Содержание

1. Свойства материалов

2. Конструкционные материалы

2.1. Чёрные металлы и их сплавы

2.2. Цветные металлы и сплавы ни их основе

2.3. Сплавы с эффектом памяти

2.4. Неметаллические материалы

2.4.1. Неметаллические материалы

2.4.2. Керамика

2.4.3. Стекло и ситаллы

2.4.4. Каучук и резина

2.4.5. Плёнкообразующие материалы

2.4.6. Клеи

2.4.7. Герметики

2.4.8. Лакокрасочные материалы

2.4.9. Плёночные материалы

2.5. Волокнистые материалы

2.6. Композиционные материалы

2.6.1. Металлические композиционные материалы

2.6.2. Полимерные композиционные материалы

2.6.3. Керамические композиционные материалы

2.6.4. Дисперсионно-упрочняемые композиционные материалы

2.6.5. Псевдосплавы

I. Свойства материалов

Основными свойствами металлов и сплавов являются механичес­кие, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства. К механическим свойствам относят проч­ность, пластичность, твердость и ударную вязкость. Прочность - это свойство рабочего тела сопротивляться деформации под действием внешних статических или динамических нагрузок. Прочность определя­ют рядом показателей при испытании на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Прочность при статических нагрузках оценивают преде­лом прочности σ_в и пределом текучести σ_Т . Предел прочности

где Р - внешняя нагрузка разрыва, мн; F - исходная площадь поперечного сечения, м² .

Предел прочности это условное напряжения, при котором начи­нает разрушаться испытываемый образец. Предел текучести - это напряжение, при котором начинается пластическое деформирование металла. Пластическое деформирование - это такое деформирование рабочего тела, при котором после снятия усилия изменяются его исходные форма и размеры. Ударная вязкость - это прочность при динамических нагрузках:

КС=А/F

где А - работа разрушения образца, Дж; f - площадь образца в месте разрушения, м².

Пластичность - это свойство материала обеспечивающее измене ние формы и размеров без разрушения. Для характеристики пластич­ности материала наиболее часто используют относительное удлине­ние при разрыве:

Δ = (l- l₀)/l₀

где l - длина образца после разрыва, мм; l_о - длина образ­ца до разрыва, мм.

Твердость - это свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, не деформирующегося тела, Твердость определяется величиной удельной нагрузки из отношения величины усилия Н и площади; твердость по Бринелю определяют при внедрении шарика в тело:

НВ =Р/F_отп,

где Р - нагрузка, приложенная к шарику, МН; F_отп - площадь

поверхности отпечатка шарика, м².

Физические свойства. К физическим свойствам металлов и спла­вов относят температуру плавления, плотность, коэффициент линей­ного расширения, электросопротивление, теплопроводность, коэффи­циенты трения, отражения и др. Эти свойства зависят от состава и структуры материала.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют хими­ческий состав материала и химическое взаимодействие с другими ве­ществами.

Технологические свойства определяют возможность обработки металла тем или иным методом. К технологическим свойствам относят литейные свойства, пластические свойства, свариваемость, обраба­тываемость резанием и др. Литейные свойства металлов и сплавов определяют жидкотекучесть, кристаллизация, усадка, ликвация. Плас­тические свойства определяют предельные возможности деформирова­ния без разрушения под действием внешней нагрузки. Свариваемость - это свойство соединяемых материалов при совместном расплавлении образовывать после кристаллизации неразъемное соединение. Обраба­тываемость резанием - это свойство материала, обеспечивающее съем металла с поверхности заготовки под действием режущего инструмен­та: и получение требуемых показателей качества.

Эксплаутационные свойства определяют коррозионная стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционная стойкость и др. Коррозионная стойкость - сопротивление сплава дей­ствию агрессивных щелочных или кислотных сред. Хладостойкость -свойство сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0°С. Жаропрочность - свойство сплава сохранять прочность при высоких температурах. Жаростойкость - свойство сплава сопротив­ляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Антифрикционная стойкость - свойство материала прирабатываться к другому сплаву.

2. Конструкционные материалы

Особенностью применения конструкционных материалов при изго­товлении деталей приборов и автоматических устройств является то, что требование высокой прочности, характерное в машиностроении, не является главным.

В зависимости от специфики работы прибора и автоматического устройства, назначения и конструкции их деталей предъявляется ряд эксплуатационных требований к материалам для их изготовления. Эти требования могут включать особые физико-механические свойства, определенные электрические свойства, высокую стабильность свойств и размеров в различных условиях эксплуатации, высокую прочность в сочетании с малой плотностью в обычных сечениях и микросечениях, немагнитность и др.

В качестве конструкционных материалов в приборостроении при­меняют черные и цветные металлы и их сплавы, магнитные, полупро­водниковые, контактные материалы, металлы с особыми физико-меха­ническими и механическими свойствами, проводниковые и сверхпрово­дящие материалы, композиционные материалы, пластмассы и газона­полненные пластмассы, каучук и резину, стекло и ситаллы, керами­ку, клеи, герметики, лакокрасочные материалы, полимерные пленки и другие материалы.

2.1, Черные металлы.

В приборостроении из черных металлов и их сплавов применяют железо, магнитные и немагнитные сталь и чугун. Железо, магнитные сталь и чугун применяют для замены дорогостоящих и дефицитных цветных металлов и сплавов и в тех случаях, когда к деталям при­борных устройств не предъявляют специальных требований.

Свойства сплавов определяются их составом и структурой. Спла­вы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а с большим содержанием углерода - чугуном. Указанная граница 2,14% углерода разделяют систему сплавов Fe-C на две части. У всех сплавов, содержащих углерода менее 2,14% при первичной кристаллизации по­лучают структуру аустенита; сплавы, содержащие 2,14%С .имеют в структуре ледебурит. Различие в структуре создает различие в тех­нологических, механических и др. свойствах. Чугун благодаря нали­чию ледебурита пластически не деформируется, однако сравнительно низкая температура плавления обеспечивает высокие литейные свой­ства; сталь является пластически деформируемым сплавом. Граница 2,14%С - разделения сплавов на сталь и чугун для высоколегированных железо-углеродных сплавов может смещаться в ту или другую сторону.

В производстве приборов находят применение техническое же­лезо и сталь.

Техническое железо хорошо обрабатывается давлением, резани­ем, сваривается; железо ферромагнитно, точка Кюри равна 768°С. Техническое железо применяют для изготовления деталей и узлов конструкций, магнитопроводов, полюсных наконечников и т.п.

Сталь по химическому составу подразделяют на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь - это сплав железа с углеро­дом, содержащий постоянные и случайные примеси. Легированная сталь, кроме железа, углерода, постоянных (стандартного количест­ва) и случайных (незначительного количества) примесей содержит специальные элементы, введенные в нее с целью получения заданных свойств. Количество легирующих элементов колеблется в широких пределах (от сотых долей до десятков процентов). Легирующие эле­менты улучшают механические свойства стали или придают ей какие-либо особые свойства (немагнитность, высокую коррозионную стой­кость, высокое электрическое сопротивление и т.д.). Легирование повышает вязкость стали без снижения или даже при увеличении прочности, увеличивает прокаливание, уменьшает деформацию при закалке.

Способ получения стали (бессемеровский, кислородно-конвер­терный, Мартеновский, в электропечах) влияет на свойства стали. При бессемеровском способе металл насыщается газами особенно азо­том, а сера и фосфор не удаляются в достаточной степени. Бессеме­ровская сталь обладает большой прочностью, но малой пластичностью, в ней много загрязнений (неметаллических включений). Качество бес­семеровского металла невысокое. При кислородно-конвертерном спосо­бе получают сталь с низким содержанием азота и свойствами близкими к свойствам мартеновской стали. При мартеновском способе мень­ше насыщена газами, из металла больше удаляется серы и фосфора. Этим способом изготовляют большую часть марок обыкновенной и ка­чественной стали. При плавке в электропечах в большей степени удаляется сера и фосфор. Получают более дорогую высококачествен­ную сталь - легированную сталь ответственного назначения (инстру­ментальную, жаропрочную, коррозионностойкую и др.). Стали ответ­ственного назначения плавят и разливают в вакууме, поэтому стали почти не содержат газов, имеют большую чистоту по неметаллическим включениям.

Сталь в зависимости от способа получения и наличия примесей подразделяют на следующие виды: сталь обыкновенного качества, сталь качественную, сталь высококачественную; а в зависимости от назначения - строительную, машиностроительную (конструкционную), инструментальную и сталь с особыми физико-химическими свойствами.

Для изготовления деталей и узлов приборных устройств приме­няют конструкционную и инструментальную стали и кроме того стали с особыми физико-химическими свойствами.

Металлургическая промышленность поставляет потребителям чер­ные металлы и их сплавы в виде листов, полос, лент, прутков раз­личного поперечного сечения, уголков, двутавров, швеллеров и дру­гих профилей общего и специального назначения. Ленты и листы -наиболее часто применяемые профили сортамента; качественные пока­затели лент - точность по толщине от 0,010 до 0,100 мм для толщин от 0,05 до 3,60 мм, точность по ширине для обрезанной ленты - от 0,3 до 0,6 мм при соответственно ширине 4 - 325 мм и толщине 0,05-1,00 мм, шероховатость поверхности

2.2. Цветные металлы и сплавы на их основе

У всех цветных металлов высокие коррозионная устойчивость, тепло- и электропроводность, они немагнитны, имеют хорошие меха­нические свойства, технологичны (хорошо обрабатываются давлением и резанием, с хорошими литейными свойствами).

Алюминий и его сплавы. Различают деформируемые и литейные алюминиевые сплавы, которые подразделяют на неупрочняемые и уп­рочняемые термической обработкой. Деформируемые спла­вы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой, Деформи­руемые алюминиевые сплавы неупрочняемые термической обработкой имеют высокую пластичность и невысокую прочность; деформируемые алюминиевые сплавы упрочняемые термообработкой имеют высокую проч­ность и удлинение.

Литейные алюминиевые сплавы часто имеют повышенную проч­ность и для повышения прочности, пластичности, снижения остаточ­ных напряжений термически обрабатывают (закалка и старение). Алю­миний применяют для изготовления методом порошковой металлургии спеченных алюминиевых сплавов и спеченных алюминиевых пудр (САС и САП), которые имеют особые свойства - коррозионную стойкость, прочность, пористость и т.д.

Магний и его сплавы. Магниевые сплавы разделяют на деформи­руемые, литейные, неупрочннемые и упрочняемые термической обработкой.

Медь и ее сплавы. Медь обладает высокой пластичностью, ма­лым электросопротивлением, высокой коррозионной стойкостью и теплопроводностью. Медь выпускают в виде листов, прутков, прово­локи, трубок. Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Брон­зы и латуни разделяют на деформируемые и литейные, они обладают хорошей и отличной обрабатываемостью резанием.

Титан и его сплавы. Чистый титан - тугоплавкий металл с температурой плавления (1665± 5)°С, пределом прочности 250 МПа и высокой пластичностью, с низкой жаропрочностью, хорошо обраба­тывается давлением, сваривается, обработка резанием затруднитель­на. Титановые сплавы (предел прочности 700-900 МПа) обрабатыва­ются давлением, литье этих сплавов связано со значительными труд­ностями; для получения повышенных механических свойств сплавы титана термически обрабатывают (отжигают, закаливают, подверга­ют старению) в печах с защитной атмосферой.

Никель, имеющий наибольшую коррозионную стойкость в атмос­ферных условиях по сравнению с другими металлами и высокую тем­пературу плавления, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии.

Бериллий. Одно из важнейших свойств бериллия: сочетание вы­сокого значения модуля упругости (310 МПа) с низкой плотностью (1844,7 кг/м³), теплоемкость его в 4 раза превышает теплоемкость стали и титана, теплопроводность и электропроводность приближа­ются соответственно к теплоемкости и электропроводности алюминия.

Химические свойства. Коррозионная стойкость бериллия на воз­духе при комнатной температуре близка к стойкости алюминия; не­значительна коррозия в чистой воде; малая склонность к окислению сохраняется до 600°С, выше 700°С коррозия становится заметной.