Учебный курс Детали машин и основы конструирования

СИЛЫ  И СВЯЗИ
Определить реакции в опорах вала
Статические испытания материалов
конструкционные материалы
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КРУГЛОГО
СПЛОШНОГО БРУСА
НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИЗГИБА
Методы изготовления резьбы
Теория винтовой пары
Расчет резьбовых соединений
Шпоночные соединения
Расчет шпоночных соединений
Механические передачи
цилиндрические передачи
Критерии работоспособности зубчатых колес
Расчет цилиндрических передач на прочность.
Конические зубчатые передачи
Червячная  передача
Силы в червячном зацеплении
Тепловой расчет и смазывание червячных передач
Плоскоременные передачи
Зубчато-ременные передачи
Цепная передача
валы и оси
Смазывание и расчет подшипников скольжения
Подшипники качения
Подбор подшипников качения
Конструирование подшипниковых узлов
Муфты
 

  МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 Основными конструкционными материалами для создания деталей машин являются.

 СТАЛИ. Стали это материалы представляющие собой соединение (сплав) углерода (С) и железа (Fe).

 Стали, применяемые при изготовлении машин и конструкций можно условно разделить на УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА с содержанием углерода до 0,25 %, КАЧЕСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ содержащие углерода в сплаве до 0,6 % и ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ с содержанием углерода свыше 0,6 %.

 С увеличением процентного содержания углерода увеличиваются механические характеристики сталей, такие как прочность, но снижается пластичность. Следует сказать, что на прочность стали и другие ее качества, такие как износостойкость, твердость, выносливость также в значительной степени влияют такие факторы как термообработка и химический состав.

 Термической и химикотермической обработкой деталей из сталей называется технологический процесс связанный с нагревом ("термо") или нагревом плюс химической обработкой деталей.

 ОТЖИГ - вид термообработки, устраняющий химическую и физическую неоднородности, полученные в результате предшествующей обработки. При отжиге металл нагревают до определенной температуры, затем длительно выдерживают при ней и медленно охлаждают с целью получения однородной структуры. Отжиг бывает НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ и ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ. В первом случае температура нагрева не превышает температуру фозовых превращений, а во втором - выше этой температуры.

 Отжиг применяется с целью снятия внутренних напряжений, возникших в результате сварки, после литья, обработки металлов давлением и т.д. В результате такой термообработки увеличивается пластичность и снижается твердость. Такая операция является необходимой для выполнения последующей операции механообработки. 

  ЗАКАЛКА представляет собой процесс нагрева стали до температцры выше температуры фазофых изменений, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения с большой скоростью. При этом материал упрочняется, но остается хрупким. Закалка не является окончательной операцией термообработки. Чтобы уменьшить хрупкость, снять остаточные напряжения и получить требуемые механические свойства, закаленные детали подвергают ОТПУСКУ.

 Закалка может быть выполнена по всему объему или по поверхности. Поверхностная закалка повышает твердость материала, его износостойкость и т.д. При таком виде закалки основная объемная часть материала остается пластичной, что благоприятным образом сказывается на конструкции в целом. По этой причине такой вид термообработки часто используется на практике. Нагрев поверхности до нужной температуре обеспечивается за счет индукционных токов высокой частоты. Изменение магнитного поля вызывает появление на поверхности детали индукционного тока, прохождение которого по поверхности способствует тепловыделению. Это, в конечном итоге, приводит к нагреву поверхностных слоев.

 ОТПУСК заключается в нагреве металла до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью. Отпуск бывает: низкотемпературным, когда температура нагрева Т0С ≤ 250, среднетемпературным с 350 ≤ ТоС_≤ 500 и высокотемпературным,

500 ≤ ТоС ≤ 680.

 Термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется УЛУЧШЕНИЕМ.

 Кроме термической, металлы могут подвергаться ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ обработке (поверхностному легированию), т.е. термическому и химическому воздействию на поверхностный слой. Наиболее распространенным видом такой обработки является ЦЕМЕНТАЦИЯ, при которой поверхностный слой насыщается углеродом и азотом. При таком варианте термообработки цементируемый слой может наноситься только на определенном участке детали. На цементацию поступают детали после механообработки, так как после нее допускается только операция шлифования. Для цементации чаще всего используют низкоуглеродистые легированные стали. В результате на их поверхности образуется диффузионный слой, химический состав которого сильно зависит от глубины. Это можно объяснить тем, что проникновение диффундирующего элемента в глубинные слои оказывается затрудненным.

  НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом, протекающий при температуре

Т = 840 … 860 Со.

 АЗОТРОВАНИЕ - термохимическая обработка, при которой поверхностный слой насыщается азотом. Азотирование сильно повышает твердость поверхности, ее износостойкость, предел выносливости и стойкость к коррозии, причем твердость сохраняется до температуры 500о С.

 Если в состав сталей при их плавке включается кроме углерода другие химические элементы, то такие стали называются ЛЕГИРОВАННЫМИ. Они обладают большой статической прочностью, а также прочностью при переменных режимах нагружения. В качестве легирующих элементов, как правило, используются:

 * ХРОМ (Cr);

  * КРЕМНИЙ (Si);

 * НИКЕЛЬ (Ni);

 * ВАНАДИЙ (W);

 * АЛЮМИНИЙ (Al);

 * МАРГАНЕЦ (Mg) И ДРУГИЕ. 

 Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5 %, называются НИЗКОЛЕГИРОВАННЫМИ; в том случае, если содержание легирующих элементов составляет 2,5… 10 % - это ЛЕГИРОВАННЫЕ стали, а если легирующих добавок больше 10 %, то такие стали называют ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫМИ.

  КОРРОЗИЙНО-СТОЙКИЕ стали обладают стойкостью против коррозии. Это большая группа высоколегированных сталей. В качестве легирующего элемента здесь используются хром (13 … 25 %), иногда никель.

 Материалы с высокими упругими свойствами (ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ) - это углеродистые либо легированные стали, с большим содержанием углерода (0,5 … 1,1%).

 Кроме сталей для производства деталей машин используются следующие материалы.

 ЧУГУНЫ. Чугун - сплав железа Fe и углерода С (свыше 2 %), содержащий легирующие элементы, которые вводятся для получения заданных свойств. Повышенное содержание углерода улучшает его литейные свойства при одновременном увеличении хрупкости. Благодаря хорошим литейным свойствам и низкой стоимости чугун используется для изготовления конструкций сложных конфигураций. Из-за своей относительно низкой стоимости чугун применяется для изготовления массивных деталей, например, корпусных, и различного рода станин.

 Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. В этом случае механические свойства чугуна зависят от характера распределений включений графита и от их величины. Чем меньше графитовых включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Таким образом, можно сказать, что для чугуна характерно нарушение оплошности, и это обстоятельство делает его мало чувствительным к всевозможным концентраторам.

 В отличие от стали чугун не подвержен остаточному пластическому деформированию, следовательно, не имеет предела текучести. Для чугунов характерным является только предел прочности, причем предел прочности при сжатии σвс оказывается существенно выше, чем предел прочности при растяжении σвр .

 Важной механической характеристикой любого материала является мрдуль угпругости. Для чугунов его величина может быть рассчитана по формуле Е = (4,5 … 5)100σв, если предел прочности σв находится в границах

σв = 100 … 300 МПа.

 Для этих материалов не в полной мере справедлив закон прямой пропорциональной зависимости деформации от нагрузки. По этой причине решения, полученные методами теории упругости, применительно к чугунам могут иметь значительно большие погрешности, чем при расчете других материалов.

  В зависимости от химического содержания и вариантов термообработки чугуны бывают различных типов. СЕРЫЙ чугун представляет собой сплав Fe, Si, С содержащий примеси  Mg, P, S. Эти чугуны являются наиболее дешевыми (что определяет их широкое применение), однако имеют малую механическую прочность. Для обеспечения возможности обработки давлением имеется разновидность КОВКОГО чугуна, который обладает повышенной пластичностью.

  Созданы также чугуны, имеющие повышенную по отношению к другим маркам прочность. Эти марки в качестве легирующих добавок имеют Cr, Mg и некоторые другие компоненты. Такие чугуны допускают закалку поверхности и упрочнение ее наклепом.

 Некоторые марки чугуна ( при добавлении к ним легирующих элементов, таких как Mg, Cu, Si и т.д.) обладают антифрикционными свойствами, для которых характерно низкое значение коэффициента трения, и малой скоростью износа поверхностного слоя. Эти чугуны рекомендуется использовать как материал для изготовления деталей, работающих в условиях относительного скольжения, трущиеся поверхности которых допускают процедуру закалки.

 МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ. МЕДЬ - это металл красноватого цвета плотностью 8,94 г/куб. см, имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку с периодом а = 0,31607 нм.

 На основе меди получают различные сплавы, которые широко используются в качестве материалов для изготовления различных деталей. Эти сплавы обладают хорошими механическими и антикоррозийными свойствами, они износостойки, имеют низкий коэффициент трения, высокую электро- и теплопроводность. Различают две основные группы медных сплавов: ЛАТУНЬ - сплав меди с цинком и БРОНЗА - сплав меди с другими элементами. Наиболее часто в качестве добавки в состав бронзы включается цинк.

 ЛАТУНЬ - сплав меди с цинком. Содержание цинка в сплаве достигает

40 … 45 %. Латуни пластичны и обладают хорошими литейными свойствами. Их предел текучести равен σт = 250 … 450 МПа.

Прочность можно несколько повысить за счет использования обработки давлением при высокой температуре. В состав латуни часто вводят легирующие добавки (например, Ai, Zn, Si, Mn, Ni, Pb), которые повышают прочность, но снижают пластичность.

  По технологическим признакам латуни разделяются на две группы: предназначенные для обработки давлением и для изготовления деталей, полученных литьем. Литейные латуни содержат большое количество легирующих добавок для улучшения литейных качеств.

  Детали из латуни часто используют в судостроении, так как они оказываются стойкими к морской воде, особенно те из них, которые легированы оловом. Если латунные детали выполняются прокаткой, то они затем подвергаются отжтгу для уменьшения их твердости.

  Для химического состава БРОНЗЫ характерно наличие основного легирующего компонента, в качестве которого применяют:

 * ОЛОВО;

 * АЛЮМИНИЙ;

 * ЖЕЛЕЗО;

 * КРЕМНИЙ;

 * ХРОМ;

 * БЕРИЛЛИЙ и другие.

  Сплав меди с оловом обычно содержит до 10 …12 % Sn. Если увеличить содержание олова, то сплав приобретает повышенную хрупкость. Обычно этот тип бронз дополнительно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. При этом цинк Zn улучшает ее технологические свойства и снижает стоимость. Фосфор P улучшает литейные свойства бронзы, никель Ni положительно влияет на механические характеристики и улучшает коррозийную стойкость, железо повышает сопротивление коррозии.

 Бронзы, легированные алюминием, представляют собой сплав с содержанием Al до 9 %. Кроме этого, они часто содержат легирующие добавки, нпример, Fe, Ni, Mg и др. Такие бронзы хорошо сопротивляются коррозии, и их можно использовать для производства деталей, работающих в морской воде и других агрессивных средах. Кроме того, они имеют высокие механические и технологические свойства.

 При легировании меди кремнием (до 3,5 % Si) существенно повышаются прочность и пластичность. Кроме основного легирующего компонента, здесь используются и другие легирующие добавки, такие как Si, Mg и другие. Благодаря хорошим технологическим и механическим свойствам подобные бронзы применяются для изготовления пружин, работающих в агрессивных средах.

 В результате легирования меди бериллием, предельная растворимость которого составляет 2,7 %, получаются бронзы, имеющие высокие прочность и пластичность. Достигаются такие механические характеристики в результате закалки и последующего старения. Эти бронзы имеют высокий предел выносливости и успешно работают в агрессивных средах. Они хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их можно с успехом использовать для выполнения пружин, мембран, различных подвижных контактов и деталей, работающих на износ.

 Бронзы, легированные свинцом, представляют собой сплавы, которые после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Это происходит потому, что свинец не растворяется. Тем не менее такой вид бронзы обладает хорошими антифрикционными свойствами и используется как материал для антифрикционных покрытий. Поскольку эти бронзы имеют низкую прочность, то их целесообразно применять в качестве покрытий, нанесенных на металлическую поверхность, чаще всего в подшипниках скольжения.

  Бронзы и латуни используются как материалы для изготовления трущихся сопряжений, так как обладают хорошими антифрикционными свойствами.

 АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ. АЛЮМИНИЙ - это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 600 С. Он имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с периодом а = 0,4041 нм. Так как алюминий обладает низкой плотностью, р = 2,7 г/куб. см, то сплавы на основе алюминия называются ЛЕГКИМИ. Алюминий, как медь, имеет высокую электро- и теплопроводность. Модуль упругости Е = (7,0…7,5) 104 МПа.

 Алюминий является коррозийно-стойким материалом, так как на его поверхности появляется пленка окислов, защищающая основной металл от коррозии. Чистый алюминий имеет низкую прочность и применяется для производства деталей, не воспринимающих силового воздействия. Он хорошо деформируется пластически, успешно сваривается, но плохо обрабатывается механически. По этой причине из алюминия изготавливают трубопроводы, резервуары, палубные надстройки речных и морских судов и т.п. Из чистого алюминия изготавливают также металлическую фольгу, токопроводящие и кабельные материалы.

 На основе алюминия получают различные сплавы, которые существенно изменяют его свойства. Наибольшее распространение получили сплавы Al - Cu, Al - Si, Al - Mg, Al - Cu - Mg - Si, Al - Mg - Si, Al - Zn - Mg - Si. По технологическим признакам алюминиевые сплавы подразделяются на ДЕФОРМИРУЕМЫЕ, т.е. получаемые пластическим деформированием, и ЛИТЕЙНЫЕ, предназначенные для получения фасонных деталей методом литья.

  Литейные сплавы на базе алюминия (Al - Cu, Al - Mg, Al - Si, Al - Zn - Mg - Si) благодаря низкой плотности и хорошей технологичности широко используются в самолетостроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве и других областях. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы системы Al - Cu (силумины), которые применяются для литья деталей сложной формы. С целью улучшения механических характеристик силумины легируют натрием. Отливки алюминиевых сплавов подвергают термической обработке и процедуре старения. СплавыAl - Mg сильно повышают коррозийную стойкость, но ухудшают литейные качества. Эти отливки рекомендуется использовать для работы в агрессивных средах и в судлостроении.

 Легируя сплавы такими добавками, как Ti, Ni, Ce, можно получать жаропрочные материалы, которые используются для изготовления поршней головок двигателей и других деталей, работающих в условиях высоких температур.

 Наиболее известным представителем класса деформируемых сплавов является ДЮРАЛЮМИНИЙ (Al - Cu - Mg), который получил распространение в авиационной технике и транспортном машиностроении. марганец добавляется в состав сплава для повышения коррозийной стойкости. Часто в такие сплавы добавляют присадки в виде Cr, Zn, Fe, Si. Сплав хорошо обрабатывается и потому широко используется в производстве листового и профильного проката. Для повышения прочности такие сплавы часто подвергаются закалке при температуре 500 – 520о С с последующим охлаждением в воде и выдержкой при нормальной температуре в течение 75__100 часов (естественное старение). Кроме того, деформируемые сплавы подвергаются обработке давлением с последующей механической обработкой. Такую технологию применяют для изготовления деталей с высокой прочностью, например, дисков центробежных машин, деталей компрессоров и т.д.

 Помимо вышеперечисленных, в машиностроении используется ряд других металлических сплавов, как правило, предназначенных для изготовления деталей с особыми свойствами. Например, сплав олова и свинца - БАББИТ - обладает высокими антикоррозийными свойствами и применяется как материал при производстве вкладышей подшипников скольжения.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ представляют собой композицию из легких материаллов в качестве основы (матрицы) и прочных волокон как исполнителя. В качестве металлической основы используют Al, Mg, Ni и их сплавы. Металлическая матрица связывает волокна в единое целое. Волокна располагаются таким образом, что создают определенную композицию. Композиционные материалы по отношению к обычным сплавам обладают более высокой статической прочностью и прочностью при переменном режиме нагружения. Применение этих материалов повышает жесткость конструкции и снижает ее металлоемкость. При этом прочность композиционного материала определяется прежде всего свойствами волокон, а матрица выполняет роль связующего элемента.

 Для упрочнения алюминия и магния и их сплавов применяют борные и углеродистые волокна. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, проволоку карбида кремния и т.д. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается за счет использования вольфрамовой и молибденовой проволоки и т.д.

 Для композиционных материалов характерно наличие анизотропии свойств по объему, что в конечном итоге можно эффективно использовать за счет соответствующего расположения детали.

 Композиционные материалы обладают высокой статической прочностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений и имеют высокий предел прочности на сопротивление усталости.

 Кроме металлической, иногда используют полимерную либо керамическую основы.

 КЕРАМИКА - поликристаллический материал на основе соединений неметаллов. Если такой материал смешивается с металлами, то в результате получается металлокерамические материалы. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ изготовляются методами порошковой металлургии.В основе эти материалы представляют смесь керамики с металлами. Такие сочетания позволяют создавать материалы, имеющие высокие термическую прочность, износостойкость, коррозийную стойкость к агрессивным химическим средам.

 Технология изготовления таких изделий включает получение порошков металлов (а также их смесей с неметаллическими порошками), прессование и последующее спекание в пресс-формах. Полученные таким образом детали не требуют дальнейшей механической обработки. В результате такой технологии обработки материалы могут получаться пористыми, причем пористость достигается 10 … 30 %. Такие материалы, имеющие низкий коэффициент трения который для контакта с металлом, f = (0,05 … 0,09), целесообразно использовать в качестве фильтров и антифрикционных материалов, а также вкладышей подшипников.

 Металлокерамические материалы используются также и в других случаях, где их применение оправдано благодаря описанным выше свойствам.

 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ (ПЛАСТМАССЫ) - материалы на основе синтетических или природных высокомолекулярных смол (полимеров). Пластмасса может целиком состоять из смолы или представлять собой композиционный материал из полимерной основы (матрицы) и наполнителя, или из связующего и армирующих волокон (стекло, углерод и т.д.). Пластмассы бывают термопластические и термореактивные. Термопластические пластмассы могут быть использованы повторно. Они имеют значительно меньшую прочность и жесткость, применяются для изготовления малонагруженных деталей и благодаря хорошим антифрикционным свойствам используются как антифрикционные материалы.

  При нагреве пластмассы способны размягчаться и становятся пластичными. В таком состоянии им придают необходимую форму, которую они сохраняют при нормальной температуре.

  Пластмассы имеют малую плотность, низкую теплопроводность (1 … 2) т/куб. м , высокий коэффициент линейного расширения (в (10 … 30) раз больше, чем у стали), хорошие электроизоляционные свойства, высокую химическую стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства.

 К числу недостатков пластмасс можно отнести невысокую теплостойкость, низкий модуль упругости и склонность некоторых пластмасс к старению.

 РЕЗИНА - материал получаемый вулканизацией смеси натурального либо синтетического каучука с серой и другими добавками ( ингредиентами). Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами. Она обладает также высокой износостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами и тем, что способна сопротивляться многим агрессивным средам. Резина может выдерживать большие деформации, которые, в свою очередь, полностью обратимы. Модуль упругости для резины лежит в пределах 1 … 10 МПа, что в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем для других материалов. Высокая эластичность и определяет область применения деталей из резины. Резина используется для изготовления шин, упругих муфт, амортизаторов, различного рода упругих элементов высокой податливости, различного рода уплотнений и т.п.

 Серьезным недостатком является низкая прочность резиновых деталей. По этой причине для повышения прочности резину армируют текстильными материалами либо стальными элементами.

Механические передачи Детали машин