Конструкционными материалами

Как было указано, содержание небольших количеств кремния в конструкционных углеродистых сталях и чугунах не оказывает существенного влияния на коррозионную стойкость. Только при увеличении его содержания до 14—15% сплавы становятся кор-розионностойкими во многих агрессивных средах.

При большой окружной скорости (более 25...30 м/с) или при работе с ударами, толчками, вибрацией корпусные детали полумуфт и другие нагруженные детали выполняют из стали (отливки, прокат, штамповка, ковка). При меньших окружных скоростях применяют чугун (СЧ 21-40, СЧ 32-52, СЧ 35—56). Мелкие детали выполняются из конструкционных углеродистых сталей (прокат), а крупные ответственные детали — из поковок (сталь 40, 40ХН и др.). Рабочие поверхности трения подвергают термической обработке с целью повышения твердости и износостойкости. Упругие элементы изготавливают из пружинной стали, пластмасс, твердой резины. Поверхности трения сцепных муфт могут облицовываться фрикционными материалами (см. табл. 15.4).

Ниже приведены подсчитанные по формуле (143) напряжения разрыва при затяжке стандартными ключами (усилие1 ключа принято 15 кгс). В рамку заключены напряжения, превосходящие предел текучести конструкционных углеродистых сталей.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях составляет 0,06—0,9%. Углерод является основным легирующим элементом сталей этой группы и определяет механические свойства и свариваемость их. В зависимости от содержания углерода конструкционные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые (С^0,25%), среднеуглеродистые (С= =0,26-т-0,45%), высокоуглеродистые (С=0,46-т-0,76%). По качественному признаку различают углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) и качественные (ГОСТ 1050—74). Качественные стали имеют пониженное содержание вредных примесей (серы); Примером низкоуглеродистой стали обыкновенного качества, широко используемой в сварных конструкциях, является сталь БСтЗ, содержащая 0,14—0,22% С, 0,40—0,65% Мп, 0,12—0,30% Si, с пределом прочности ств=380ч-490. МПа и относительным удлинением б=23-7-26%. В качестве примера углеродистой качественной стали можно назвать сталь 20, содержащую 0,17—0,24% С, 0,35— 0,65% Мп, 0,17—0,37% Si, с пределом прочности ав=420 МПа и относительным удлинением 6=26%.

Для высокопрочных легиро-j ванных сталей величина q близка к единице; для конструкционных углеродистых сталей q = = 0,6-!-0,8, причем более прочным сталям соответствуют большие значения q. Для чугунов 9^0.

Широкое применение ингибиторов коррозии в нефтяной и газовой промышленности объясняется тем, что в процессе добычи, подготовки и транспортировки нефти, газа и воды оборудование и сооружения, изготовленные в основном из конструкционных углеродистых сталей, эксплуатируются в условиях агрессивных коррозионных сред.

Для высокопрочных легированных сталей величина q близка к единице; для конструкционных углеродистых сталей q = = 0,6-г-0,8, причем более прочным сталям соответствуют большие значения q. Для чугунов q?& 0.

Так, для конструкционных углеродистых и легированных сталей перлитного класса, для которых НВ > 150, зависимость условного предела текучести от твердости описывается уравнением О0>г = 0,367 НВ. Для стали с НВ < 150 эта зависимость имеет вид Оо.а «* 0,2 НВ. '

Экспериментальная зависимость между НВ и временным сопротивлением ав для конструкционных углеродистых и низколегированных сталей имеет почти прямолинейный характер, т. е. с некоторым приближением можно считать ов » к: 0,345 НВ (для стали о НВ > 150). При твердости НВ < 150 отношение ов к НВ становится большим, чем 0,345. Устойчивая связь между НВ и ав позволяет пользоваться таблицей для пересчета НВ на ов, рекомендованной ГОСТ 22761—77 (табл. 13.11).

конструкционных, углеродистых и легированных сталей

В остальных деталях содержание остаточного аустенита невелико, основным источником нестабильности является старение мартенсита, поэтому размеры таких деталей со временем чаще уменьшаются. Последнее нередко встречается у измерительных инструментов и шарикоподшипников, обработанных холодом после закалки. Размеры закаленных деталей из конструкционных углеродистых сталей со временем чаще увеличиваются, закаленных деталей из нержавеющих сталей — уменьшаются. Размеры деталей из упрочненных алюминиевых сплавов при вылеживании чаще увеличиваются.

Этими обстоятельствами и обусловлено то, что металлы являются надежными конструкционными материалами, которыми никогда не могут быть 'неметаллические материалы в силу своей природы.

Металлы и их сплавы являются наиболее важными Современными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции, есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических конструкций (железных кровель зданий, стальных мостов, станков и оборудования цехов) в атмосфере; ржавление наружной металлической обшивки судов в речной и морской воде; разрушение металлических баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических и других заводах; ржавление стальных трубопроводов в земле; окисление металлов при их нагревании и т. п. У большинства металлов в условиях их эксплуатации более устойчивым является окисленное (ионное) состояние, в которое они переходят в результате коррозии. Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать».

Обычными конструкционными материалами при воздействии водо{: одсодержащих сред являются стали 20 и ЗОХМА, но только до температуры не выше 300° С. При более высокиТ'температурах применяют легированные стали. В качестве легирующих добавок в углеродистую сталь вводят элементы, способные образовывать сложные карбиды, более стойкие по отношению к водородной коррозии, чем цементит Fe3C, Такие элементы, как хром, титан, молибден, ванадий и др., давая такие карбиды, повышают сопротивляемость стали обезуглероживанию.

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

В качестве конструкционного материала технически чистую медь применяют редко, так как она имеет низкие прочностные свойства, твердость. Основными конструкционными материалами на основе меди являются сплавы латуни и бронзы. Для маркировки медных сплавов используют следующее буквенное обозначение легирующих элементов:

Другим преимуществом ориентированных стеклопластиков перед обычными изотропными конструкционными материалами является эффективное управление анизотропией их механических, тенлофизическмх и других свойств в плоскости армирования. Это дает дополнительные резервы в повышении надежности конструкций, снижении их массы и расширении области применения. Управление анизотропией свойств осуществляется варьированием укладки арматуры [2, 4, 14, 36, 54, 70]. Но относительно низкая жесткость армирующих стекловолокон резко ограничивает реализацию этого преимущества, так как даже незначительное отклонение волокон от заданного направления приводит к существенному снижению жесткости в этом направлении [5, 14, 20]. Кроме того, физико-механические и химические свойства стекловолокон и матрицы часто оказываются несогласованными, , что порождает проблемы создания монолитных изделий из композиционных материалов [31, 68] и приводит к специфическим видам их разрушения (расслоению, размотке, местным разрывам, трещинам, нарушению адгезии и т. п.) 32, 37, 56, 63]. Особенно присущи такие виды разрушения конструкциям, изготовленным намоткой [76].

Основными конструкционными материалами оборудования теплосети являются сталь и латунь. Все элементы этого оборудования при контакте с водой, содержащей агрессивные газы, способны подвергаться кислородной и углекислотной коррозии, механизм которой рассмотрен для стали в гл. 2, для латуни — в гл. 3.

Первоначально при выборе матрицы и волокна для всех систем предполагали использовать те же основные принципы, что и для модельных систем. Джех и др. [22] показали справедливость правила смеси для композитов как с непрерывными, так и с короткими волокнами, избрав для этого систему медь — волокно. Медь ,и вольфрам, по существу, взаимно не растворимы и не взаимодействуют химически; соответственно они не образуют соединений. Таким же образом Саттон и др. [38] на модельной системе серебро — усы сапфира убедительно продемонстрировали эффект упрочнения нитевидными кристаллами. Степень взаимодействия между серебром и усами сапфира даже меньше, чем между медью и вольфрамом, поскольку расплавленное серебро не смачивает сапфир. Для улучшения связи с расплавленным серебром те же авторы напыляли на поверхность са'пфира никель. Однако связь между никелем и сапфиром была, вероятно, чисто механической, а на поверхности раздела никель — сапфир твердый раствор не образовывался. Поэтому не удивительно, что Хиббард [21] в обзоре, -представленном в качестве вводного доклада на конференции 1964 г. Американского общества металлов, посвященной волокнистым композитным материалам, счел необходимым заключить: «Для взаимной смачиваемости матрицы и волокна необходимо, чтобы их взаимная растворимость и реакционная способность были малы или вообще отсутствовали». Это условие, как правило, реализуется для определенного типа композитных материалов, а именно, ориентированных эвтектик. Во многих эвтекти-ках предел растворимости несколько изменяется с температурой, что, вообще говоря, является причиной нестабильности, хотя в известной степени и компенсируется особым кристаллографическим соотношением фаз. Однако в большинстве практически важных случаев это условие не выполняется. После конференции 1964 г. основные успехи были достигнуты в области управления состоянием поверхности раздела между упрочнителем и матрицей. Ни серебро, ни медь не являются перспективными конструкционными материалами. Что же касается реакций между практически важными матрицами и соответствующими упрочнителями, то они очень елож-ны и могут приводить к самым разнообразным типам поверхностей раздела.

Недостаточная жесткость. Несмотря на армирование волокнами листовых материалов, их суммарная жесткость, определяемая модулем упругости, относительно низка по сравнению с другими конструкционными материалами, такими, как сталь и алюминий. Жесткость композиционных материалов близка по величине к жесткости бетона и древесины в направлении вдоль волокон. Для более эффективного использования композиционных материалов необходимо воспользоваться их формуемостью и изготовлять из них конструкции, жесткость и прочность которых обеспечивается их формой.

Стоимость. Стоимость килограмма композиционного материала довольно высока по сравнению с другими конструкционными материалами. Положение несколько облегчается тем, что плотность композиционных материалов, как правило, низка, поэтому при равных объемах эти материалы весят меньше. Тем не менее целесообразно использовать наиболее эффективные формы конструкций, обеспечивающие экономию материалов и снижение стоимости.

Физические характеристики (1) — (3) и фактор (5) могут быть определены непосредственно. С другой стороны, в группу параметров, характеризующих процесс получения слоя, входят такие, как температура, давление при отверждении, продолжительность цикла отверждения, взаимодействие между волокнами и матрицей и др. Как видно, на прочность слоя влияет большое количество факторов. Отметим также, что прочность слоя зависит от напряженного состояния, вызванного приложенной нагрузкой. Это служит отличительной чертой композиционных материалов по сравнению с традиционными конструкционными материалами.