Конструкційні матеріали та їх вибір

Заняття № 7-8

Тема. Конструкційні матеріали та їх вибір

Тематичне оцінювання: «Проектування виробів»

Мета: ознайомити учнів з видами конструкційних матеріалів, з штучними матеріалами, видами та маркуванням сталей та сплаві кольорових металів; розвивати логічне мислення, окомір, акуратність; виховувати любов та повагу до праці.

Обладнання, матеріали, наочність: лещата, молоток, зубило, зразки конструкційних матеріалів, роздатковий матеріал, довідкова література.

ХІД ЗАНЯТТЯ

I. Організаційний момент

II. Актуалізація знань та мотивація навчальної діяльності учнів

Для тематичного оцінювання можна запронувати тести в кінці посібника або використати подані запитання нижче.

1. Які розрізи називать місцевими?
2. Якими розмірами називають дійсними?
3. Що називать розрізом?
4. Що називають перерізом?
5. Що називають конусністю?
6. Які матеріали відносяться до конструкційних?

ІІI. Повідомлення теми заняття

ІV. Вивчення нового матеріалу

1. Поняття про матеріали штучного походження

На ранній стадії розвитку суспільства для виготовлення знарядь праці, мисливства, обробітку ґрунту людина використовувала природні матеріали: камінь, деревину, кістку, черепашки молюсків. Пізніше почали застосовувати метали, що зустрічалися в природі (у чистому вигляді), - залізо і мідь.

Пізніше навчилися виплавляти бронзу і сталь. Ці матеріали відрізнялися від природних ліпшими механічними, технологічними, фізичними та іншими властивостями, краще піддавались обробці, були довговічними та надійними в роботі.

Нині отримують багато інших сплавів: латунь, ніхром, мельхіор, дюралюміній та інші. З кожним роком завдяки науковим розробкам впроваджуються нові конструкційні матеріали. Матеріал, який створений людиною і схожий на природний, називають штучним.

Хімічною промисловістю виробляються матеріали, які називають синтетичними. Це штучні матеріали, які утворюються з довгих ланцюгів молекул хімічних речовин, так званих полімерів. Називають такі речовини пластичними масами (пластмасами). Залежно від компонентів, які входять до складу пластмаси, вона по-різному проявляє технологічні властивості. Деякі, названі м'якими пластмасами, при нагріванні до певної температури стають пластичними (м'якими), а при охолодженні до кімнатної температури тверднуть і зберігають свою форму. При повторному нагріванні вони мають властивість знову м'якшати, а при охолодженні – набувати необхідної форми. Такі пластмаси можна багаторазово використовувати для виготовлення нових виробів. Пластмаси із багаторазовим розм’якшенням та затвердінням називають термопластичними.

Частина пластмас не плавиться навіть при високій температурі, такі пластмаси дістали назву термореактивних. Із них виготовляють електричну арматуру, інші вироби, які можуть піддаватися впливу високих температур.

Із м'яких пластмас виготовляють штучну тканину, хутро, шкіру, фото, кіноплівку тощо. Із синтетичної гуми виготовляють водонепроникні костюми, а з нейлону і акрилу - міцні й дешеві тканини.

Гума – також штучний матеріал, який отримують із каучуку.

Штучним способом виготовляють також папір.

Широко розповсюджене у побуті та будівництві скло – синтетичний матеріал, який отримують методом змішування піску, солі, інших матеріалів та витримування їх при високій температурі до розплавлення. Після охолодження речовина твердне, утворюючи прозоре або, залежно від умісту інших спеціальних компонентів, забарвлене скло.

Штучно виготовлені матеріали, які складаються з двох і більше компонентів і проявляють сукупність властивостей, притаманних кожному компоненту, називають композиційними матеріалами, або композитами. З них виготовляють деталі для газового та нафтового обладнання, побутової, авіаційної техніки, електроарматуру.

Найбільшого поширення набуло використання композитів у порошковій металургії. Основними технологічними процесами при цьому є виготовлення порошкових сумішей різних речовин з наступним їх пресуванням та нагріванням, наданням певної форми у спеціальних пристроях і наступним охолодженням.

1. Властивості металів

Матеріали, з яких виготовляють деталі приладів, машин і механізмів, називають машинобудівними. До них належать метали та їх сплави, деревина, пластмаси, лаки, фарби, гума, кераміка, скло, тканина, папір та інші матеріали. Найпоширеніші серед машинобудівних матеріалів - метали та їх сплави, з металів - залізо та алюміній, менш поширені мідь, цинк, свинець, олово. У машинобудуванні чисті метали майже не використовують, а застосовують їх сплави. Це пов'язано з тим, що чисті метали отримати значно важче, крім того, властивості багатьох сплавів кращі, ніж чистих металів. Металевими сплавами називають поєднання двох або кількох металів із неметалами, в яких зберігаються властивості металів.

Усі метали і сплави поділяють на чорні та кольорові. До чорних належать залізо та сплави на його основі - чавун і сталь, до кольорових - решта металів. Метали та їх сплави принципово відрізняються від неметалів тим, що у твердому стані вони мають кристалічну будову. їхні атоми розміщуються у строго визначеному порядку, утворюючи кристалічну ґратку. Кожен метал має власну кристалічну ґратку .

Під дією високої температури кристалічна ґратка може змінюватися. Це призводить до зміни механічних, фізичних, технологічних та інших властивостей металу. Для раціонального використання металів та виготовлення якісної продукції необхідно знати ці властивості.

До фізичних властивостей металів відносять густину, температуру плавлення, теплове розширення, тепло- та електропровідність тощо.

Густина (об'ємна маса) є відношенням маси речовини до її об'єму і вимірюється в грамах на кубічний сантиметр (г/см3) або в кілограмах на кубічний метр (кг/м3).

Температура плавлення - це температура, при якій метал або сплав переходять із твердого стану в рідкий.

Електропровідність - здатність металу проводити електричний струм.

До механічних властивостей металів відносяться твердість, міцність, пластичність, пружність, крихкість тощо. Механічні властивості виражають через низку показників: межа міцності при розтягуванні і згині, відносне видовження, ударна в'язкість тощо. Для визначення цих показників метали і сплави піддають різним механічним випробуванням.

Міцність – це здатність металу не руйнуватися під дією навантажень.

Межу міцності визначають, випробовуючи спеціально виготовлені зразки на розтяг на розривній машині.

Твердість – це здатність матеріалу протидіяти проникненню іншого предмета. Чим більша різниця в твердості матеріалу та інструменту, тим легше обробляється матеріал та довше працює інструмент без пере загострення.

Твердість характеризує опір матеріалу деформаціям. Поширеним методом визначення твердості є метод Роквелла. Він полягає в тому, що твердість визначається глибиною проникнення загартованої кульки у дослідний зразок.

До хімічних властивостей металів і сплавів належить їхня хімічна стійкість проти впливу навколишнього середовища (кислот, лугів, прісної і морської води, вологого повітря, газів, високої температури тощо), тобто хімічна стійкість проти корозії.

Технологічні властивості визначають придатність металів і сплавів до обробки тим чи іншим способом. До цих властивостей належать: рідко-текучість, тобто текучість розплаву, потрібна для виготовлення деталей литтям; пластичність, наприклад здатність отримувати осадку без руйнування; штампованість, здатність металевого листа під дією преса в штампі змінювати форму без руйнування.

1. Властивості деревини

Незважаючи на зростаюче виробництво нових матеріалів, протягом тисячоліть не виходить із вжитку деревина. Деревина має такі фізичні властивості, як густина, теплопровідність, звукова і електрична провідність та інші, які враховуються при виготовленні виробів з неї.

Густина матеріалу характеризується відношенням маси до його об'єму і вимірюється в кілограмах на метр кубічний (кг/м3).

У деревині є порожнини, які називаються міжклітинними просторами. Якби вдалося спресувати деревину так, щоб усі порожнини зникли, то дістали б суцільну речовину з густиною 1540 кг/м3. Густина деревини має велике практичне значення. Деревина з більшою густиною (бук, клен, граб, груша) особливо ціниться за її міцність. Деревина хвойних порід має меншу густину, ніж листяних порід. Тому її важче лакувати й полірувати, оскільки пори вбирають більше лаку..

Теплопровідністю називають здатність деревини проводити теплоту від однієї поверхні до іншої. Теплопровідність сухої деревини незначна. Щільна деревина проводить теплоту дещо краще, ніж пориста. Вологість деревини підвищує її теплопровідність, оскільки вода порівняно з повітрям є кращим провідником теплоти. Завдяки низькій теплопровідності деревина набула широкого розповсюдження як будівельний матеріал.

Іншою характеристикою властивостей деревини є акустичні властивості. До цієї групи властивостей належать звукопровідність, звукоізоляційність та резонансні характеристики.

Звукопровідність - властивість деревини проводити і відбивати звук. У деревині найшвидше звук поширюється вздовж волокон.

Здатність деревини резонувати (посилювати звук без спотворення) широко використовується у виробництві музичних інструментів. Акустичні властивості деревини важливо враховувати також при використанні її як будівельного матеріалу і застосуванні для поліпшення акустики в музичних залах, театрах тощо.

Електропровідність - властивість деревини проводити електричний струм. Електропровідність сухої деревини незначна. Це дає змогу використовувати її як ізоляційний матеріал. Волога деревина має вищу електропровідність.

Деревина як конструкційний матеріал має технологічні властивості. Без їх знання та врахування при конструюванні виробу не можна виготовити його якісним.

Середньостатистичні показники фізико-механічних властивостей деревини при вологості 12 %

Породи	Густина, кг/м3	Границя міцності, МПа	Торцева твердість, Н/мм2	Ударна в'язкість. Дж/м2
		стиск вздовж волокон	статичний згин	сколювання вздовж волокон
				радіальне	тангентальне
Модрина	660	65	112	9,9	9,4	44	51993
Сосна	500	49	86	7,5	7,3	29	41202
Ялина	445	45	80	6,9	6,8	26	39240
Дуб	690	58	108	10,2	12,2	68	76518
Ясен	680	59	127	13,9	13,4	80	88290
Бук	Є 70	56	109	11,6	14,5	61	80442
Береза	650	55	110	9,3	11,2	47	93195

Властивість деревини утримувати в собі металеві кріплення (цвяхи, нагелі, шурупи та ін.) пояснюється її пружністю. Цвях, який забивають у деревину, розсовує волокна, які внаслідок своєї пружності тиснуть на поверхню цвяха і тим самим чинять опір його витягуванню. Чим більша густина деревини, тим вищий опір витягуванню цвяха вона чинить.

Найбільшу здатність до гнуття мають листяні кільцесудинні породи (дуб, ясен) і розсіяно-судинні (береза). Хвойні породи мають невелику здатність до гнуття. У вологої деревини (25-30 %) здатність до гнуття вища, ніж у сухої.

Зносостійкість деревини характеризується здатністю її поверхневих шарів протистояти зношуванню. Деревина має досить високу зносостійкість, яка прямо залежить від її твердості та об'ємної маси. Волога деревина більше схильна до зносу, ніж суха.

Розколюваність - це здатність деревини розчеплюватися вздовж волокон під дією клина. Легко розколюються всі хвойні породи, а також бук, осика, липа, а в радіальному напрямі - дуб. Цю властивість деревини широко використовують, заготовляючи бондарну колоту клепку, штукатурну дранку, спиці.

1. Сорти та марки металів та їх сплавів

Найпоширенішою у машинобудуванні е сталь. Сталь - це сплав заліза з карбоном. Вона містить 0,05-2,14 % карбону та інші домішки, такі як силіцій, манган, сульфур, фосфор тощо. Сталь має велику міцність, твердість, ковкість, в'язкість, добре обробляється різанням і зварюванням. Виготовляючи вироби зі сталі, можна застосовувати найрізноманітніші технології.

Властивості сталей значною мірою залежать від домішок у їхньому складі. Основною домішкою є карбон. Від його вмісту залежать механічні властивості сталі. Якщо збільшується вміст карбону, зростає міцність, твердість, опір деформуванню і зменшується пластичність сталі.

За хімічним складом конструкційні сталі поділяють на вуглецеві та леговані, а за якістю - на сталі звичайної якості, якісні й високоякісні. За призначенням виділяють сталі конструкційні, інструментальні та спеціального призначення.

Сталь звичайної якості має невисоку міцність. Використовують її для виготовлення порівняно невідповідальних деталей: заклепок, шайб, болтів, гайок, труб, будівельних конструкцій.

Конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості маркують літерами Ст і порядковим номером від 0 до 7 залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Основні марки вуглецевих сталей звичайної якості: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7, Ст8, Ст9.

Вуглецева якісна сталь міцніша від сталі звичайної якості. Використовують її для виготовлення деталей, до яких ставлять підвищені вимоги за механічними властивостями. Марки якісних вуглецевих сталей позначають двома цифрами: 08, 10, 15, 20, 45 і так далі до 65. Число вказує вміст карбону у сотих частинах відсотка. 20 – містить карбону приблизно 0,20 %, 45 - 0,45 % карбону.

До інструментальних сталей належать ті, що містять понад 0,65 % карбону. Інструментальні сталі за хімічним складом бувають вуглецеві, леговані.

Вуглецеві інструментальні сталі мають високу міцність, твердість після термічної обробки, теплостійкість при нагріванні металів до 200...250 °С і зносостійкість. Такі сталі застосовують для виготовлення свердел малого діаметра, розверток, мітчиків, плашок, зубил, напилків, полотен для ножівок, молотків та інших інструментів.

Вуглецеву інструментальну сталь маркують літерою і числом, яке вказує десяті частини відсотка карбону. Наприклад У8 – якісна інструментальна сталь, карбону приблизно 0,8%. Літера А наприкінці маркування вказує те, що сталь високоякісна. Літера Г наприкінці маркування вказує на підвищений вміст мангану (приблизно 1%). Основні марки карбонових інструментальних сталей такі: У7, У8, У8Г, У9 і так далі до У13. Сталь У10ГА – це високоякісна інструментальна сталь з підвищеним вмістом мангану.

Щоб підвищити ті чи інші властивості вуглецевих інструментальних сталей, до їх складу вводять інші речовини – легуючі елементи: хром, вольфрам, молібден, ванадій, манган, Теплостійкість легованих інструментальних сталей досягає 250...З00 °С. Із цих сталей виготовляють свердла, мітчики, корпуси штампів і прес-форм.

До легованих сталей належать такі, у яких вміст Карбону не перевищує 0,65 % і які мають у своєму складі, крім звичайних домішок, спеціально введені легуючі елементи - Хром, Нікель, Молібден, Титан, Ванадій, Алюміній. Легуючі елементи змінюють як механічні, так і фізичні властивості сталі. Наприклад, Хром підвищує міцність, твердість, зносостійкість сталі, але зменшує її пластичність; Нікель підвищує міцність, твердість і опір корозії; Вольфрам підвищує твердість. Кожний з легуючих елементів надає сталі певних властивостей.

Вміст легуючих елементів у сталі позначають літерами російського алфавіту. Якщо легуючий елемент у сталі перевищує 1 %, то після її позначення ставиться цифра, що означає відсотковий вміст легуючого елемента у відсотках. Легуючі елементи позначають так: Хром - X, Нікель - Н, Молібден - М, Титан - Т, Вольфрам - В, Кобальт - К, Манган - Г, Силіцій - С, Ванадій - Ф, Алюміній - Ю.

Позначення марок легованих сталей складаються з чисел і відповідних літер. Двозначні числа, які стоять перед літерами, показують відсотковий уміст карбону у сотих частинах. Наприклад, сталь 38Х2МЮА – містить близько 0,38 % карбону, близько 2 % Хрому; Молібдену і Алюмінію – близько 1% кожного. Літера А в кінці позначення марки означає підвищену якість цієї сталі.

Використовують леговані конструкційні сталі для виготовлення найважливіших деталей різних виробів.

Маркування інструментальної легованої сталі відрізняється від маркування конструкційної легованої сталі лише тим, що вміст Карбону познчають у десятих частинах відсотка (наприклад, сталь 9ХС містить 0,9 % Карбону). Якщо Карбону понад 1 %, у марці його не показують.

До швидкорізальних інструментальних сталей відносять ті, що містять вольфрам (6 -19% ), ванадій (1-4 %) та інші легуючі елементи. Завдяки легуючим елементам підвищуються стійкість сталей проти спрацьовування і теплостійкість до 600...650 °С. Виготовлені з них інструменти допускають можливість збільшити у 2-3 рази швидкість різання порівняно з інструментами з вуглецевих сталей. Серед швидкорізальних розрізняють вольфрамові сталі (Р9, Р18), вольфрамомолібденові (Р6МЗ, Р6М5), вольфрамованадієві (Р9Ф5, Р14Ф4), вольфрамокобальтові (Р9К5, Р9К10) та ін. Маркування: на початку ставиться літера Р, цифра після неї вказує на відсотковий вміст вольфраму. Решта літер і чисел мають те саме значення, що і в марках легованих сталей.

У машинобудуванні використовують також кольорові метали. Найпоширенішими є мідь, алюміній, цинк, олово, свинець, магній, хром, нікель та ін. Але використовують їх в основному у вигляді сплавів. Механічні властивості технічно чистих кольорових металів невисокі.

Мідь має характерний червоний колір, вона м'яка, в'язка, добре піддається холодній та гарячій обробці, має хорошу електропровідність і призначена для виготовлення електропроводів, деталей електроприладів, припаювання металокерамічних пластинок до стальних різців та інших інструментів. Мідь добре сплавляється з більшістю металів, утворюючи сплави, що широко використовуються в машинобудуванні.

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору, дуже м'який і в'язкий, легко обробляється в холодному і гарячому стані, добре прокатується і протягується в дріт. Головні властивості алюмінію: мала густина і висока антикорозійна стійкість. Він широко застосовується для виготовлення електропроводів. Алюміній у чистому вигляді має низьку міцність і твердість, але в сполуках з іншими металами ці властивості значно поліпшуються. Тому в машинобудуванні використовують переважно сплави алюмінію.

Найпоширенішими є сплави на основі кольорових металів: міді, алюмінію, мангану і титану.

До сплавів на мідній основі належать латуні та бронзи.

Латунь - це сплав міді з цинком та іншими елементами. Вона в'язка і пластична, добре обробляється тиском і різанням.

Порівняно з чистою міддю латуні міцніші, пластичніші і твердіші.

Латуні позначають літерою Л і числом, що означає вміст міді. Наприклад, латунь марки Л80 містить 80 % міді і 20 % цинку. Якщо до латуні, крім міді й цинку, входять інші елементи, то їх позначають літерами (Ж - залізо, Г - манган, Н - нікель, О - олово, К - силіцій, С - свинець), а відсотковий вміст - цифрами. Наприклад, латунь марки ЛС59-1 містить: Си - 59 %, РЬ - 1 % і 2п - 40 %; марка ЛЖМ59-1-1 означає багатокомпонентну (спеціальну) латунь, яка містить близько 59 % міді, 1 % заліза, 1 % мангану (решта - цинк).

Бронза - це складні багатокомпонентні сплави на основі міді; вони бувають олов'янисті, алюмінієві, силіцієві, свинцеві, нікелеві, берилієві тощо.

Бронзи маркують літерами Бр, за якими йдуть літери умовних позначень компонентів і легуючих елементів, потім числа, які означають відсотковий вміст компонентів. Наприклад, БрАЖГ10-3-1,5 означає бронзу, яка містить 10 % алюмінію, 3 % заліза, 1,5% мангану (решта – мідь). Позначення елементів такі самі, як і для спеціальних латуней; крім того, використовують позначення: Ц - цинк, Ф - фосфор, Б - берилій.

Алюмінієві сплави поділяють на дві групи: ливарні, з яких виготовляють деталі відливанням, і деформовані, або ковальські, з яких виробляють дріт, листи, профільний алюміній, а також деталі куванням і штампуванням. До найпоширеніших алюмінієвих сплавів належать силуміни марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9, дюралюміни Д16, Д19, Д20, Д21, кувальні алюмінієві сплави АК-4, АК-8 та ін.

Дюралюміній можна термічно обробляти, після чого його механічні властивості підвищуються. Він пластичний, легко кується і штампується.

V. Закріплення нових знань і вмінь учнів

1. Які властивості деревини ви знаєте?

2. Які властивості металів вам відомі?

VІ. Лабораторно - практична робота

Підбір матеріалів для виготовлення виробів

Послідовність виконання роботи:

1. Визначити вид сталі та приблизний хімічний склад сталей за одним із варіантів поданим вчителем.

2. Записати розшифровку марок у зошит.

3. В кінці роботи написати висновок.

Варіанти марок сталей:

І варіант. Ст3, У12ГА, Р18Ф2, 5ХГМ, 5Х2В5, У10.

ІІ варіант. 45Г, У12, У 8А, Р6М5, 4ХВ2С, У7.

VІІ. Підбиття підсумків заняття

1. Як називається сплав міді з цинком та іншими елементами?

VІІІ. Домашнє завдання

1. Опрацювати відповідний матеріал за конспектом.
2. Написати реферат по даній темі.

ІX. Прибирання робочого місця і приміщення

Конструкційні матеріали та їх вибір