Древесные материалы и их разновидности. 
Антифрикционные сплавы

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

" Гродненский государственный университет имени Янки Купалы"

Факультет инновационных технологий машиностроения Контрольная работа по дисциплине Материаловедение Вариант 30

Специальность: 1 -370 106 Техническая эксплуатация автомобилей Гродно

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Неметаллические конструкционные материалы. Древесные материалы и их разновидности. Особенности строения и требования, предъявляемые к ним, как к конструкционным материалам

1.1 Общая характеристика и классификация.

1.2 Древесные материалы и их разновидности.

2.Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Области применения. Условия эксплуатации. Маркировка.

2.1 Антифрикционные сплавы

2.2 Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Маркировка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

В современном машиностроении широко применяют неметаллические конструкционные материалы.

Все они имеют довольно прочны, относительно легки по весу, хорошо обрабатываются и дешевле металлов и сплавов. Кратко рассмотрим некоторые из них.

Важное значение в машиностроении имеют антифрикционные материалы (от англ. friction — трение) — это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения или материалы способные уменьшить коэффициент трения других материалов.

Наиболее распространены как антифрикционные материалы подшипниковые материалы (ПМ), применяемые для подшипников скольжения.

1. Неметаллические конструкционные материалы

1.1 Общая характеристика и классификация Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов— на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т. п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Неметаллические конструкционные материалы включают:

1. Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

2. Керамика — изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и других неорганических соединений.

3. Огнеупоры, материалы и изделия, изготовляемые преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °C.

4. Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние.

5. Резина продукт вулканизации каучука. Основное отличие резины от других полимерных материалов — способность к большим обратимым, так называемым высокоэластическим, деформациям в широком интервале температур, включающем комнатную и более низкие температуры.

6. Древесина, сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли. Она составляет основную массу ствола, корней и ветвей древесных растений.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

1.2 Древесные материалы и их разновидности неметаллический конструкционный материал сплав древесный До настоящего времени древесные материалы достаточно широко применяют в машинои приборостроении в качестве конструкционных и отделочных материалов. Дерево обладает достаточной прочностью, хорошей упругостью, легко обрабатывается и склеивается.

Древесина содержит проводящие, механические и запасающие элементы. По мере роста деревьев внутренняя, наиболее старая часть ствола отмирает. Проводящая и запасающая системы перестают функционировать, содержание воды, крахмала, отчасти жиров уменьшается, количество смол, дубильных веществ повышается. У ядровых пород (сосна, лиственница, дуб) центральная часть ствола отличается по окраске и называется ядром, периферическая зона называется заболонью. У спелодревесных пород (ель, липа) периферическая часть отличается от центральной меньшей влажностью (такая древесина называется спелой). У заболонных пород (клён, берёза) центральная часть ничем не отличается от периферической. Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашивается темнее (главным образом под влиянием грибов) и образуется так называемое ложное ядро.

В древесине большинства пород можно различить кольца прироста, или годичные кольца, и радиальные, или сердцевинные, лучи. Внутри одного кольца прироста различают раннюю (весеннюю) и позднюю (летнюю) зоны, часто называющиеся соответственно ранней и поздней. Размеры и соотношение элементов, слагающих древесину, изменяются в зависимости от условий произрастания .В неблагоприятных условиях (избыточное увлажнение, недостаток воды в почве, сильное затенение, объедание листьев насекомыми) образуются узкие слои прироста. Строение луча, форма клеток, число и размеры их пор имеют важное значение при определении породы дерева.

Механические свойства древесины в значительной мере зависят от влажности и направления волокон. Влажность древесины определяют в процентах как отношение разности масс до высушивания и после высушивания. Для сравнения свойств древесины установлена стандартная влажность, равная 15%. Увеличение влажности более 30% практически не снижает механических свойств.

Свойства древесины принято рассматривать в трех направлениях: продольном, радиальном и тангенциальном (в направлении касательной к годовому слою).

Древесина может иметь пороки, которые в значительной мере снижают механические свойства. Так, например, сучки при расположении в зоне растяжения намного уменьшают прочность, а при сжатии вдоль волокон они действуют как внутренние клинья и также снижают прочность.

Различные трещины оказывают существенное влияние при сжатии и скалывании, но почти не влияют при растяжении вдоль волокон. Значительное влияние на прочность может оказать расположение волокон к направлению действующей силы. Так, наклон волокон на 10° и более к направлению действующей силы приведет к уменьшению прочности на 20% и более.

В машиностроительную промышленность древесина поступает в виде пиломатериалов. Пиломатериалы бывают отрезными, когда все четыре боковые стороны обработаны, и неотрезными, когда не пропилены кромки (узкие боковые стороны).

По соотношению размеров поперечного сечения различают доски, бруски и брусья. У досок ширина больше двойной толщины, у брусков — ширина не более двойной толщины, а брусья имеют ширину и толщину более 100 мм.

По толщине пиломатериалы разделяют на тонкие (толщина до 32 мм) и толстые (толщина более 40 мм).

Пиломатериалы хвойных пород в зависимости от допускаемых пороков древесины подразделяют на доски и бруски пяти сортов, а брусья — четырех сортов.

Лучшие сорта пиломатериалов (отборный и первый сорт) применяют для деталей обшивки внутренней палубы судов, поперечных балок и бортов кузовов грузовых автомобилей, в сельскохозяйственных машинах и т. п. Пиломатериалы хвойных пород четвертого сорта применяют для мелких заготовок и изготовления тары.

Пиломатериалы из лиственных пород подразделяют на три сорта. Максимально допускаемая влажность не должна превышать 25%.

Пиломатериалы, нарезанные по определенным габаритным размерам называют заготовками. Промышленные предприятия поставляют заготовки цельными и клееными, пилеными (черновыми) и калиброванными (строганными). Как правило, влажность заготовок не должна превышать 15%.

Для производства клееной фанеры выпускают лущеный шпон трех сортов из древесины дуба, бука, березы, ясеня, ольхи и липы. Толщина шпона изменяется от 0,55 до 1,5 мм, а ширина — от 150 до 1900 мм. Влажность лущеного шпона составляет 6—10%.

Клееную фанеру из лущеного шпона изготовляют из трех или более слоев со взаимно перпендикулярным расположением волокон в смежных слоях. В зависимости от водостойкости для склейки фанеры применяют три типа клеев: фенолформальдегидный (для повышенной водостойкости), карбамидный и альбуминоказеиновый (для средней водостойкости). Размеры листов фанеры определены соответствующим ГОСТом: максимальный размер 2440×1525 и минимальный 1220 X 725. Толщина фанеры зависит от числа слоев и толщины шпона и изменяется в пределах 1,5—12 мм.

Для декоративных целей фанеру оклеивают строганным шпоном. Строганный шпон изготовляют из тех же пород древесины, что и лущеный, а также из ореха, вяза, карагача, каштана, платана, груши, яблони, черешни и других ценных пород.

При оценке свойств древесины как конструкционного и отделочного материала учитывают её способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы), износостойкость, способность к загибу некоторых лиственных пород.

Испытания древесины с целью определения показателей физико-механических и технологических свойств проводят на малых чистых (без пороков) образцах. На большинство методов испытаний разработаны стандарты, устанавливающие форму и размеры образцов, процедуру экспериментов, способы вычисления показателей её свойств. Дерево отличается сильной изменчивостью свойств, поэтому при использовании древесины в качестве конструкционного материала особенно важно применение неразрушающих методов поштучного контроля прочности пиломатериалов, основанных, например, на связи между прочностью дерева и некоторыми её физическими свойствами.

Древесина имеет высокие значения коэффициента качества (отношение предела прочности к плотности), хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам, легко обрабатывается и позволяет изготовлять детали сложной конфигурации, надёжно соединяется в изделиях и конструкциях с помощью клея, обладает высокими декоративными свойствами. Однако наряду с положительными свойствами натуральная древесина обладает рядом недостатков: размеры и форма деталей изменяются при колебаниях влажности. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации (повышенная влажность, умеренно высокая температура воздуха, контакт с влажной почвой, конденсация влаги на элементах конструкций и т. д.) дерево загнивает. Гниение представляет собой процесс разрушения, в результате жизнедеятельности поселяющихся на ней грибов. Для защиты от загнивания древесину пропитывают антисептиками. Дерево может также повреждаться насекомыми, для защиты от которых используют инсектициды. Ввиду сравнительно малой огнестойкости при необходимости пропитывают антипиренами.

2.Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Области применения. Условия эксплуатации. Маркировка

2.1 Антифрикционные сплавы Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям. бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали-стального или чугунного вала.

Антифрикционные материалы отличаются низкой способностью к адгезии, теплопроводностью и стабильностью свойств, а самое главное хорошей прирабатываемостью (т.е. способностью трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания).

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала:

I) высокая теплопроводность;

2) хорошая смачиваемость смазочным материалом;

3) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла;

4) хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь «фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Антифрикционные материалы используются в различных конструктивных типах узлов трения машин и двигателей. Поэтому в процессе применения подобных материалов в конкретных узлах и условиях приводило к созданию разнообразных антифрикционных материалов. Выделяются такие антифрикционные материалы как сплавы на основе олова или свинца — баббиты, меди — бронза, железа — серый чугун, металлокерамические сплавы — бронзографит, железографит, а также пластмассы текстолит, фторопласт-4, древесноложные пластики и сложные композиции типа «металл-пластмасса» .

Подшипниковые материалы — это наиболее распространенные антифрикционные материалы, которые применяемые для различных видов подшипников скольжения. При этом очень важно, чтобы кроме антифрикционных свойств, они обладали необходимой прочностью, сопротивлением коррозии в среде смазки, технологичностью и экономичностью.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения v, параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Чаще всего встречается использование антифрикционных материалов на основе олова или свинца (их называют баббиты). Они применяются в подшипниках в виде слоя, заливающего основу детали из стали. Важно, чтобы сталь прошла специальную очистку и желательно имела углубления или пазы для лучшего сцепления. Именно такие подшипники используются в автомобильной промышленности.

Также в качестве антифрикционных сплавов могут выступать различные виды бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Бронзовые подшипники бывают 2 видов: монометаллические (используются оловянистые бронзы) и биметаллические.

Менее распространенные, но все же востребованные антифрикционные материалы бывают на основе стали. Их используют в легких условиях работы, когда в процессе работы механизма есть небольшое давление и невысокие скорости скольжения. Сталь более твердый материал и имеет высокую температуру плавления, поэтому она плохо прирабатывается и легко схватывается с сопряженной поверхностью, из-за чего образуются задиры.

Встречается среди антифрикционных материалов и чугун. Некоторые чугуны имеют высокие антифрикционные свойства, благодаря графитовой составляющей ее структуре. Например, чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Ряд антифрикционных материалов очень широк, также как и его применение и самым распространенным из всех видов является олово и свинец, а также их сплавы в виде баббитов.

2.2 Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Маркировка Антифрикционные сплавы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивляемости схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов:

1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями;

2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди —

бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную

реакцию подшипникового материала на усиление трения и хорошую прирабатываемость, но и особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочным материалом участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Трение происходит в подшипниках скольжения между валом и вкладышем подшипника. Поэтому для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения.

Антифрикционными сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами (табл. 1). Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. Это, в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопроводность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Таблица 1

Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе — олову, свинцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.

Сплавы:

Баббиты — антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Их применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках. По химическому составу баббиты классифицируют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК2, БКА). Последние не имеют в своем составе олова.

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Микроструктура оловянносурьмяномедного баббита Б83 (рис. 1) состоит из мягкой основы, представляющей собой твердый раствор на базе олова. Твердыми частицами являются кубические включения SnSb и игольчатые кристаллы включений Cu3Sn.

Рис. 1. Микроструктура оловянного баббита Б83 при 200х увеличения: 1 — мягкая основа, 2 — кубические включения, 3 — игольчатые кристаллы.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное — свинец.

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные

сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи

с этим баббиты применяют только для тонкого (менее 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты. Из-за высокою содержания дорогостоящею олова их

используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых

турбин и т. п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов состоит из твердого раствора сурьмы в олове и твердых включений P'(SnSb) и Cu3Sn.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые

бронзы.

Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.

Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.

Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.

Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

В последнее время бронзы широко используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Их используют для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.

Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, например алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т. е. в виде биметаллического материала. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов:

1. Сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, содержащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3— 0,7%). Этот сплав хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения. Сплав АСМ широко применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала двигателей тракторов и автомобилей.

2. Сплавы алюминия с оловом и медью, например АО20−1 (20% олова и до 1,2% меди) и А09−2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.

В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

В качестве примера разберем строение четырехслойного подшипника (рис.2), применяемою в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗО). Этот слой покрыт тонким слоем (~ 10 мкм) никеля или латуни. На него нанесен слой сплава Pb—Sn толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника, верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До настоящего времени неметаллические материалы достаточно широко применяют в машинои приборостроении в качестве конструкционных и отделочных материалов. Эти материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям. бесшумности работы, небольших габаритов.

Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.

1. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. — М.: Металлургия, 1975.

2. Гуляев А. П. Металловедение. — 6-е изд. — М: Металлургия, 1986.

3. Кузьмин Б. А. Технология металлов и конструкционные материалы. изд.-машиностроение, 1981.

4. Основы материаловедения (под ред. И.И.Сидорина). М., 1976.