Неметаллические материалы

Неметаллические материалы

Пластики. Пластики представляют собой синтетические высокомолекулярные соединения, получаемые полимеризацией или поликонденсацией мономеров — веществ, состоящих из простых молекул с малой молекулярной массой. Пластики, как конструкционный материал, обладают низкими прочностью (в 10—30 раз меньше, чем у сталей), жесткостью (в 20—200 раз меньше, чем у сталей), ударной вязкостью (в 20—50 раз меньше, чем у сталей), твердостью (в 10—100 раз меньше, чем у сталей), теплостойкостью (100—250°С), теплопроводностью (в 100—400 раз меньше, чем у сталей) и малой стабильностью формы, обусловленной низкой жесткостью, гигроскопичностью, ползучестью (свойственной многим пластикам) и высоким коэффициентом линейного расширения (в 5—20 раз больше, чем у сталей), низкой стабильностью свойств, охрупчиванием при длительном воздействии переменных температур.

Пластики обладают превосходными диэлектрическими свойствами и в большинстве случаев высокой химической стойкостью.

Основные области применения пластиков — электромашиностроение, электро- и радиоприборостроение, химическое машиностроение. В общем машиностроении из пластиков изготовляют ненагруженные корпуса, крышки, панели, детали управления, декоративные элементы. Из пластичных пластиков типа поливинилхлоридов и полиолефинов изготовляют гибкие шланги, манжеты и уплотнения.

Высокая износостойкость и низкий коэффициент трения некоторых пластиков (полиамиды, фторопласты) делают их ценным материалом для изготовления втулок подшипников скольжения и бесшумных зубчатых колес.

Для силовых конструкций преимущественно используют композитные пластики (усиленные стеклопластиком и стеклотканями). Из стекловолокнитов изготовляют обтекатели корпуса легких судов, кузова автомобилей и другие конструкции оболочкового типа. Прочность таких конструкций выдерживает сравнение с металлическими конструкциями. Недостаточную жесткость компенсируют увеличением толщин и сечений.

Усиленная древесина. В машиностроении применяют древесину, пропитанную синтетическими смолами и опрессованную при повышенной температуре. Преимущественно используют древесно-слоистые пластики (ДСП), изготовляемые из лущеного березового шпона толщиной 0,3—1,5 мм. Шпон пропитывают бакелитом-сырцом (резольная фенолоформальдегидная смола), укладывают в металлические формы и подвергают гидравлическому прессованию под давлением 30—50 МПа при температуре отверждения бакелита 160—180°С.

Усиленная древесина (дельта-древесина, лигнофоль, балинит) имеет предел прочности на растяжение вдоль слоев 250—400 МПа; плотность 1,2—1,4 кг/дм3. Механические свойства при растяжении поперек слоев и сжатии вдоль слоев на 30—40% ниже.

Листовые и плиточные древесно-слоистые пластики применяют для изготовления панелей и облицовок. Прессованием в формах изделиям из древесно-слоистых пластиков придают фасонную форму.

Лигностон (пропитанные бакелитом и спрессованные бруски березовой древесины) применяют преимущественно для изготовления сегментных вкладышей подшипников, предназначенных для работы на водяной смазке.

Прессованием пропитанной бакелитом березовой крошки изготовляют фасонные изделия — втулки, зубчатые колеса и другие детали. Зубчатые колеса из древесины хорошо работают при нагрузках до 30—50 Н на 1 мм длины зуба, при зацеплении с металлическими колесами имеют высокую износостойкость.

Ситаллы. Ситаллы представляют собой силикатное стекло, которому придана мелкокристаллическая (размер кристаллитов 0,02—1 мкм) структура, коренным образом изменяющая свойства материала. Они обладают повышенной прочностью, не имеют присущей стеклу хрупкости и термохрупкости и способны выдерживать ударные нагрузки. В отличие от стекла, которое с повышением температуры размягчается, ситаллы сохраняют твердость и прочность примерно до 600°С. Подобно металлам они обладают отчетливо выраженной точкой плавления (1200—1400°С).

Механические свойства ситаллов колеблются в широких пределах в зависимости от исходных материалов, состава и технологии изготовления. Предел прочности их на растяжение 300—500 МПа, на сжатие 800—1200 МПа, ударная вязкость 0,002 МДж/м2.

Ситаллы являются превосходными диэлектриками и обладают высокой стойкостью против химических агентов, превосходя в этом отношении пластики, коррозионностойкую сталь и титановые сплавы. Они устойчивы против действия самых сильных щелочей и кислот (за исключением плавиковой).

Плотность ситаллов 2,5—3 кг/дм3, удельная теплоемкость 0,8 Дж/(кг·°С), теплопроводность (2,4—2,8)·10-3 Вт/(м·°С). Модуль нормальной упругости (7—15)·104 МПа. Микротвердость (7—12)·103 МПа Коэффициент линейного расширения в зависимости от химического состава и строения ситалла колеблется от 30·10-6 до 0 1/°С. Таким образом, имеется возможность изготовлять изделия, не меняющие линейных размеров с изменением температуры и, следовательно, не подверженные тепловым напряжениям. Есть ситаллы с отрицательным коэффициентом линейного удлинения до –8·10-6 1/°С, размеры которых уменьшаются с повышением температуры.

Ситаллы с малым коэффициентом линейного расширения отличаются высокой термомеханической стойкостью (изделия из таких ситаллов, нагретые до 800—900°С, можно безопасно погружать в холодную воду). Это свойство делает ситаллы особенно пригодными для изготовления деталей, подверженных действию высоких температур и тепловых ударов.

Большим преимуществом ситаллов является дешевизна и практическая неограниченность сырьевых ресурсов. Ситаллы изготовляют из горных пород: магнийалюмосиликатов, кальцийалюмосиликатов, кальциймагнийалюмосиликатов (петроситаллы) или из металлургических и топливных шлаков (шлакоситаллы).

Процесс изготовления изделий из ситаллов заключается в следующем. Из шихты необходимого состава готовят стекло, из которого в жидком или пластичном состоянии формируют изделия методом литья, прессования, экструзии. Изделия подвергают ступенчатой термообработке (первая ступень при 500—700°С, вторая при 900—1100°С), в результате которой материал приобретает кристаллическую структуру.

В состав стекла вводят нуклеаторы — вещества, образующие центры кристаллизации. Раньше в качестве нуклеаторов применяли коллоидные частицы Сu, Ag, Аu, которые становились зародышами кристаллизации в результате облучения изделия проникающей радиацией (фотокерамы). Сейчас дорогой фотохимический процесс исключен; в качестве нуклеаторов применяют сульфиды железа, окись титана, фториды и фосфиды щелочных и щелочноземельных металлов.

На последней стадии термообработки изделие равномерно закристаллизовывается. Содержание кристаллической фазы доходит до 95%, изменение размеров изделия при кристаллизации не превышает 2%.

Закристаллизованные изделия можно подвергать механической обработке с помощью твердосплавного, боразонного и алмазного режущего инструмента, а также ультразвуковой обработке.

Сочетание высокой прочности, вязкости, твердости, термо- и химостойкости, малой плотности, а также широкие возможности формоизменения и применения производительных методов формообразования — все это делает ситаллы перспективным конструкционным материалом. По механическим свойствам ситаллы близки к чугунам и могут во многих случаях заменить последние, выгодно отличаясь от них малой плотностью, гораздо более высокой твердостью и теплостойкостью. Однако следует учитывать их низкую теплопроводность.

Из ситаллов изготовляют детали химической аппаратуры, насосов, теплообменников, трубопроводы, емкости, резервуары, матрицы, фильеры, детали радиоаппаратуры, электрических машин и приборов.

Подшипники скольжения из ситаллов могут работать при умеренных нагрузках и частотах вращения до 500 рад/с без смазки.

В строительстве ситаллы используют как облицовочный материал; в общем машиностроении возможен перевод на ситаллы многих конструкционных деталей.

Железобетон. Для некоторых отраслей машиностроения перспективным является применение железобетонных конструкций. Из железобетона целесообразно изготовлять крупногабаритные корпусные и базовые детали агрегатов в тяжелом машиностроении (станины уникальных металлорежущих станков, прессов, шаботы молотов и др.). При этом резко сокращается металлоемкость конструкций и снижаются расходы на их изготовление.

Для изготовления железобетонных конструкций применяют качественный портландцемент, представляющий собой тонкоизмельченную предварительно обожженную около 1500°С силикатную смесь, состоящую из известняка, глины и кварцевого песка. Обычный состав обожженного цемента: 65—70% СаО; 20—25% SiО2; 8—10% Аl2O3, 2—5% Fe2O3. При взаимодействии с водой цемент твердеет, превращаясь по истечении некоторого времени в прочную монолитную массу. Для правильного твердения необходима температура не ниже 15—20°С и повышенная влажность окружающей среды. Твердение замедляется при понижении температуры, особенно ниже нуля. С целью ускорения твердения цемент подвергают температурно-влажностной обработке (пропариванию).

Качество портландцемента зависит от его минералогического состава и тонкости помола: чем мельче цемент, тем быстрее и полнее он взаимодействует с водой и тем выше его прочность. Портландцемент схватывается обычно через 1—1,5 ч и затвердевает через 10—12 ч. При последующей выдержке прочность цемента увеличивается; по истечении примерно 30 суток процесс упрочнения замедляется.

Выпускают портландцемент марок: 200, 250, 300, 400, 500, 600. Цифры указывают предел прочности (МПа), увеличенный в 10 раз (кубиковая прочность) при сжатии стандартного образца в виде куба размерами 20х20х20 см3, изготовленного из смеси цемента и кварцевого песка в отношении 1:3 и испытанного после 28 суток твердения при 15—20°С и влажности воздуха 90%. Объемная масса портландцемента 3—3,2 кг/дм3.

Бетоны представляют собой твердую массу, состоящую из смеси цемента, мелкого наполнителя (кварцевого песка) и крупного наполнителя (щебня, гравия). Прочность бетона зависит от качества цемента, свойств и гранулометрического состава наполнителей, процентного соотношения цемента и наполнителей, условий твердения (температуры и влажности окружающей среды), способа укладки и степени уплотнения смеси.

Соотношение по массе составных частей бетона характеризуют формулой

Соотношение по массе составных частей бетона

где 1 — масса цемента, принятая за единицу; х — число частей песка; у — число частей гравия или щебня; В/Ц — водоцементный модуль (отношение по массе воды к цементу).

Чем меньше водоцементный модуль, тем прочнее получается бетон. Для нормальной гидратации достаточно В/Ц = 0,2. Однако уменьшение содержания воды снижает подвижность бетонной смеси, вследствие чего на практике принимают В/Ц = 0,3—0,5. Обычный состав бетона 1:1:2:0,5.

Для изготовления строительного бетона применяют кварцевый или гранитный песок со средним размером зерен 0,2—0,4 мм и щебень из прочных кристаллических пород (гранит, сиенит, диабаз, базальт) со средним размером кусков 5—10 мм. Тонкостенные машиностроительные детали изготовляют из высокопрочного бесщебенчатого бетона на основе тонкоизмельченного цемента, молотого песка с добавлением поверхностно-активных веществ и с обязательным применением вибрации на всех стадиях подготовки и заливки смеси (способ Н. В. Михайлова).

Прочность бетона характеризуют пределом прочности на сжатие при испытании стандартного кубического образца. Обычно прочность кубика 50—60 МПа. Применяя в качестве наполнителя стальные опилки (сталебетон), можно повысить кубиковую прочность до 100 МПа. Объемная масса бетона зависит от состава бетона и вида наполнителей. Бетоны указанного выше состава имеют объемную массу 2,2—2,7 кг/дм3.

Легкие бетоны 1,5 кг/дм3 получают, используя в качестве наполнителей пористые осадочные породы (пемзу, туф, ракушечник), а также топливные или металлургические шлаки (шлакобетоны). Обладая пониженной прочностью, легкие бетоны отличаются хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Для тепло- и звукоизоляции применяют также ячеистые бетоны и пенобетоны (~0,2 кг/дм3).

Особенностью бетона как конструкционного материала являются хрупкость и резкая анизотропия механических свойств и склонность к хрупкому растрескиванию даже при небольших напряжениях растяжения; предел прочности на растяжение в 10—20 раз меньше предела прочности на сжатие.

Бетон обладает свойством ползучести. При напряжениях сжатия, превышающих 0,3—0,5 кубиковой прочности, бетон приходит в состояние текучести, и размеры бетонных изделий под нагрузкой самопроизвольно изменяются. Это требует ограничения расчетных напряжений сжатия довольно низким пределом (0,25—0,3 кубиковой прочности).

Особенностью бетона является низкое значение модуля упругости, обусловливающее пониженную жесткость изделий. Модуль нормальной упругости бетона (1,5—4,0)·104 МПа (среднее значение 3·104 МПа) что примерно в 3 раза меньше, чем у чугуна, и в 7 раз меньше, чем у стали. Модуль сдвига (0,4—1,6)·104 МПа.

Бетон обычного состава неустойчив против действия кислот, щелочей, машинных масел, смазочно-охлаждающих жидкостей. Наиболее надежный способ защиты от воздействия этих веществ — покрытие бетонных деталей листовыми металлическими оболочками. Стойкость бетонов против химических веществ можно значительно повысить введением полимеров типа силиконов (полимербетоны).

Положительной особенностью бетона как конструкционного материала является малая величина усадки при твердении. Коэффициент линейной усадки бетона в среднем равен 0,03%. Это обеспечивает сохранение геометрических размеров отливок из бетона и точность взаимного расположения заформованных в бетон металлических элементов, а также уменьшает механическую обработку базовых металлических элементов изделия.

Существуют практически безусадочные цементы (с добавками гипса и других веществ).

В конструкциях, работающих на растяжение, а также подверженных динамическим и знакопеременным нагрузкам, применяют почти исключительно железобетон, т. е. бетон с заформованной арматурой из стальных прутков, решеток или сеток.

Коэффициент линейного расширения бетона (α ≈ 12·106 1/°С) близок к коэффициенту линейного расширения стали, что обеспечивает хорошую связь между бетоном и элементами арматуры при колебаниях температуры.

Подвергая арматуру растяжению при заформовке (растяжение домкратами, электроподогрев арматуры), получают предварительно напряженный железобетон с повышенным сопротивлением растяжению. Масса стальной арматуры составляет 15—30% массы железобетона.

Предварительное напряжение растяжения в арматуре доводят до 15—25 МПа. Допускаемые напряжения растяжения в предварительно напряженном железобетоне составляют в среднем 10—15 МПа, допустимые напряжения сжатия 30—50 МПа. Железобетон обладает высокой циклической вязкостью, примерно в 2 раза превосходящей вязкость серого чугуна. Это свойство обусловливает повышенную способность виброгашения у железобетонных деталей.

Основной особенностью железобетона как конструкционного материала являются пониженные по сравнению с металлическими материалами прочность и жесткость. Допустимые напряжения растяжения и сжатия у железобетона примерно в 3 раза меньше, чем у серых чугунов. Для создания конструкций, равнопрочных чугунным, необходимо увеличение сечений и моментов сопротивления, согласно которому сечения железобетонных конструкций должны быть больше сечений соответствующих чугунных конструкций не менее чем в 3 раза. Так как модуль упругости железобетона примерно в 3 раза ниже модуля упругости чугуна, то увеличение сечений в том же отношении доводит жесткость железобетонных конструкций при растяжении-сжатии до жесткости чугунных конструкций.

В практике расчета на жесткость железобетонных конструкций, работающих на растяжение-сжатие, пользуются величиной приведенного сечения

Величина приведенного сечения

где Fб и Fа — площади, занимаемые в расчетном сечении соответственно бетоном и арматурой; Eб и Еа — модули упругости соответственно бетона и материала арматуры.

Принимая модуль упругости бетона Eб = 3·104 МПа и стальной арматуры Еа = 21·104 МПа, получаем Fпр ≈ Fб + 7Fа, или упрощенно.

Nemetal materialy 3

где Fсеч — суммарная площадь сечения, работающего на растяжение-сжатие.

Аналогично при расчете железобетонных деталей, работающих на изгиб, пользуются приведенным моментом сопротивления Wпр = Wб + 7Wа, где Wб и Wа — моменты сопротивления сечений, занимаемых соответственно бетоном и арматурой, относительно нейтральной оси сечения.

Упрощенно

Nemetal materialy 4

где Wсеч — момент инерции всего сечения детали.

По массе железобетонные конструкции уступают чугунным. Объемная масса железобетона колеблется в пределах 3—4 кг/дм3 в зависимости от массы арматуры. При увеличении сечений пусть только в 3 раза по сравнению с чугунными конструкциями (плотность чугуна 7,2 кг/дм3) масса железобетонных конструкции получается в 1,3—1,7 раза больше массы равнопрочных чугунных конструкций.

Главный выигрыш от применения железобетонных конструкций обусловлен уменьшением металлоемкости (в среднем в 3—4 раза). Технологический процесс упрощается (отпадают операции изготовления моделей, формовки и термообработки отливок). При правильном ведении процессов заливки и твердения брак по литью практически исключается.

Однако изготовление машиностроительных железобетонных конструкций трудоемко (сборка форм, особенно металлических, установка и выверка базовых металлических деталей, установка и натяжение арматуры). Недостатком является также длительность технологического цикла и необходимость выдерживать отливки в течение 15—20 суток при контролируемой температуре и влажности. Этот недостаток устраняют температурно-влажностной обработкой, после которой прочность бетона за 6—8 ч достигает 70% расчетной.

Применение железобетона оправдано в производстве уникальных крупногабаритных машин и агрегатов. Отливка базовых деталей таких машин из чугуна очень затруднительна. В некоторых случаях при отсутствии достаточно мощного литейного оборудования применение железобетонных конструкций представляет единственный практически возможный выход из положения. В общем машиностроении бетон может найти применение для заливки пустотелых конструкций (коробчатых и трубчатых деталей, фундаментных плит, колонн, кронштейнов и др.), как средство увеличения прочности и жесткости.

Железобетонные машиностроительные конструкции. Эти конструкции представляют собой армированные каркасом отливки с заформованными в них стальными или чугунными деталями (направляющие, втулки, вкладыши, базовые плиты, кронштейны), необходимыми по функциональному назначению изделия.

Применяют два основных способа формования отливок.

По первому способу детали заливают в деревянные опалубки, удаляемые после затвердевания; по второму способу — в сварные тонколистовые оболочки толщиной 1,5—2 мм, закрепленные внутренними поперечными и продольными связями (постоянные металлические опалубки). Во избежание выпучивания под гидростатическим действием жидкого бетона оболочки при заливке закрепляют снаружи разборными деревянными конструкциями. Под литники и выпоры в оболочках предусматривают отверстия, которые после затвердевания отливки заваривают.

Второй способ является более совершенным. Металлическая облицовка изолирует бетон от воздействия внешней среды, смазочных масел и смазочно-охлаждающих жидкостей и предохраняет его от случайных повреждений, выкрашивания и скалывания. Однако этот способ значительно дороже и более трудоемкий, чем первый.

Важное значение для прочности отливки имеет равномерность и плотность заполнения формы. Обязательно вибрирование формы в процессе заливки при частоте 17—50 Гц продолжительностью не менее 5—10 мин.

При заливке в деревянные опалубки и открытые металлические формы влажность воздуха в цехе поддерживают в пределах 80—90%. Открытые участки во избежание высыхания увлажняют. После распалубки (обычно через 10—12 суток) отливку обкладывают влажными опилками. При заливке в закрытые металлические оболочки требования менее строгие, так как в данном случае влага содержится в достаточном количестве внутри формы. Плотность отливки проверяют с помощью рентгеновских и ультразвуковых дефектоскопов. После выдержки отливки в течение 15—20 суток металлические базовые поверхности подвергают механической обработке. При пропаривании отливку можно обрабатывать через 1—2 суток.

Правила конструирования. При конструировании железобетонных отливок необходимо соблюдать следующие правила:

  • всемерно упрощать форму отливок, особенно при заливке в металлические оболочки, выполняя элементы отливки в виде простейших геометрических тел (цилиндров, конусов, призм);
  • толщину стенок делать не менее 30—40 мм; обеспечивать плавные переходы от сечения к сечению и избегать труднозаполняемых полостей и карманов, в которых образуются раковины и поры; для правильного заполнения таких полостей предусматривать дополнительные литники и выпоры;
  • при сложной конфигурации отливок применять песчаный бетон тонкого помола с поверхностно-активными добавками;
  • силовую металлическую арматуру располагать по направлению растягивающих сил; на участках, подвергающихся изгибу, сосредоточивать арматуру в области действия максимальных напряжений растяжения.

Крупногабаритные детали сложной конфигурации расчленяют на отдельные элементы, которые соединяют болтами, сваркой, а также с помощью коллоидного цементного клея (высокодисперсная смесь цемента и песка тонкого помола).

Конструкция в целом должна обладать жесткостью, достаточной не только для нормальной работы в стационарных условиях, но и для транспортировки и установки на месте. В конструкции большой протяженности обязательно включение мощных продольных усиливающих элементов из крупнопрофильного сортового проката.

Металлические базовые детали, заливаемые в бетон, следует по возможности разгружать от действия напряжений. Не рекомендуется их использовать в качестве элементов жесткости. Жесткость должна быть обеспечена внутренней арматурой и целесообразной формой сечений. Прочность сцепления металлических оболочек с бетоном увеличивают путем приварки проволочных или пластинчатых анкеров к внутренней поверхности облицовочных листов.