Научно-исследовательская работа "Новые материалы в машиностроении"
Бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Омской области
«Русско-Полянский аграрный техникум»
Научно – исследовательская работа по теме:
«Новые материалы в машиностроении»
Работу выполнила:
преподаватель спецдисциплин
Горячева Людмила Борисовна
р.п. Русская – Поляна
2019 год
Содержание
Стр.
Введение 3
1. Новые материалы в машиностроении 4
2. Выводы 9
3. Список используемой литературы 10
Введение
Длительный период в своём развитии человеческое общество
использовало для своих нужд ограниченный круг материалов: дерево,
камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую
глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. особенно
создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего
сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и
дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали
работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных
температурах и др.
Основой конструкционных материалов стали металлические сплавы
на основе железа, меди, олова, свинца. Дальнейшее развитие техники, когда
главным требованием, предъявляемым конструкционным материалам, стала
высокая удельная прочность, предъявило новые требования. Широкое
распространение получили малолегированные стали, алюминиевые,
титановые и магниевые сплавы, жаропрочные сплавы на никелевой и
кобальтовой основах.
В настоящее время в машиностроении основным направлением
развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и
экологически чистых в эксплуатации моделей. Так в США средняя масса
легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г – 1350 кг.
Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг,
создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные
программы разрабатываются и в Европе.
Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие
металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические
композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.
Широкое применение в машиностроении получили новые композиционные
материалы на основе углеродных волокон.
Объектом исследования являются новые, экологически чистые материалы,
применяемые для изготовления деталей в машиностроении.
Цель данной работы: изучить и проанализировать материалы,
которые используются для изготовления деталей в машиностроении, их
свойства, внутренне строение и влияние на окружающую среду.
Задачи работы:
1. Изучить и проанализировать материалы, которые используются для
изготовления деталей в машиностроении, их свойства, внутренне
строение и влияние на окружающую среду.
2. Привлечь внимание к новым, экологически чистым материалам в
машиностроении.
3. Создать печатный и электронный материал по данной теме.
Новые материалы в машиностроении
Материалы из углеволокна обладают рядом уникальных характеристик и
свойств и имеют наилучшее соотношение «цены и качества». Наиболее
важное достоинство углеволокна — необычайно легкий вес и высокая
прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия.
Углепластик (карбон) имеет невероятные свойства. По прочности он
превосходит сталь в 12,5 раз.
В настоящие время материалы из углеволокна используются при создании
практически любого узла автомобиля. Композиционные материалы и изделия
на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко
используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из
них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементов внутренней отделки
салона автомобиля: торпеда, декоративные панели салона; элементов защиты
корпуса автомобиля, днища автомобиля.
Что такое углеволокно?
Прежде чем мы сможем понять, как углеродное волокно может помочь
решить нефтяной кризис, нам необходимо понять, что это такое.
Углеволокно или "углеродное волокно" или по-простому "карбон" (точнее,
карбоновое волокно) - это суперпрочный материал и одновременно очень
лёгкий материал. Инженеры и дизайнеры очень его любят, поскольку он в
пять раз прочнее стали и в два раза жёстче, но весит примерно на две трети
меньше. Углеродное волокно - это, в основном, очень тонкие нити углерода -
настолько тонкие, что они тоньше даже, чем человеческий волос. При этом,
нити углеволокна могут быть скручены вместе, словно пряжа, как ткань.
Останется только придать карбону постоянную форму, и делается это с
помощью пластика или жёсткой смолы (вроде того как бы мы сделали что-то
из папье-маше, придавая ему форму).
Большинство автомобильных компонентов изготовлено из стали. Замена
стальных деталей кузова на углеволокно снизило бы вес
большинства автомобиля максимум на 60 процентов. А 60-процентное
падение в весе, в свою очередь, снизило бы расход топлива машины на целых
30% и, соответственно, сократило бы выбросы парниковых газов и другие на
10-20% (по данным Oak Ridge National Laboratory). На самом деле, в
глобальных масштабах это была бы огромная экономия топлива, даже,
несмотря на то, что двигатель автомобиля оставался бы чугунно-
стальным/алюминиевым. Снижение веса автомобиля вкупе
с повышением эффективности использования топлива с учётом развития
различных видов двигателей - вот как современный карбон может решить
нефтяной кризис.
Наряду с углепластиком в машиностроении используется такой
композитный материал как стеклопластик. Его широко применяют в
производстве внешних панелей кузовов (передних и задних) автобусов,
троллейбусов, элементов внутреннего интерьера, элементов
аэродинамических обводов, подкрылок, бамперов автомобилей, багажников
на крышу, приборных панелей. Популярность применения стеклопластиков
обусловлена его более высокими физико-механическими свойствами по
сравнению с другими типами термопластов и пластмасс. Это и более высокая
прочность и стойкость к образованию царапин; постоянность структуры
материала при низких и высоких температурах; относительно небольшой вес
стеклопластиковых изделий; стойкость к вибрационным нагрузкам и ударам.
Керамические композиты (керамокомпозиты)– имеют керамическую
матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую
арматуру.
Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь,
свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее
высокий уровень рабочих температур композиционных материалов.
Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет
высокий уровень прочностных свойств на сжатие.
Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является
очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику к
металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов,
имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 %
- керамика, а остальное - металл). Более эффективным является введение в
керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Наиболее
часто для упрочнения керамики используются волокна вольфрама,
молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по
сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки,
сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию
структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость
материалов.
Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон
в керамических композитах, является их повышенная склонность к
окислению при высоких температурах эксплуатации.
Поэтому в керамических композиционных материалов в качестве
армирующих элементов часто используют керамические волокна.
Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие
модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов
волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов;
жаростойкость керамических волокон. Эффективными армирующими
элементами керамического типа в композиционных материалах являются
волокна карбида кремния, углеродные волокна. Матрицами в
углекерамических материалах могут служить боросиликатные,
алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла.
Армированные композиты с керамической матрицей применяются в качестве
жаропрочных и жаростойких материалов, а также составляющих броневых
элементов. Композиты, наполненные микро - и наночастицами специальных
добавок, используются в режущих кромках инструментов, в качестве
износостойких материалов,.
Интерметаллиды – новый класс материалов (химические соединения
металлов), которые по своей структуре занимают промежуточное положение
между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую
структуру с наличием в межатомных связях до 30% ковалентной связи, что и
определяет их физико-механические свойства: высокую жаропрочность,
низкую плотность и возгораемость в кислороде, высокую износостойкость.
Интерметаллидные сплавы называют материалами следующего поколения,
так как этим сплавам присущ эффект запоминания формы. Этот эффект
проявляется в том, что после придания образцу определенной формы при
повышенной температуре ему придают новую форму пластической
деформацией при более низкой температуре, а после нагрева исходная форма
образца (детали) восстанавливается.
К настоящему времени известно более 100 сплавов с эффектом памяти
формы. Однако из этого общего числа только интерметаллид NiTi и сплавы
с легирующими элементами на его основе нашли наибольшее практическое
применение.
Интерметаллид NiTi хорошо деформируется в горячем и холодном
состоянии. Из него можно получать всевозможные полуфабрикаты: листы,
ленту и фольгу различных толщин, прутки, проволоку разных сечений,
трубы. Эти полуфабрикаты можно получать с различными температурами
восстановления формы: от -100; -180 С до +60, +120 С. Кроме этого, никелид
титана обладает высокой демпфирующей способностью, хорошей износо - и
коррозионной стойкостью.
Основное применение интерметаллиды NiTi и сплавов на его основе
связано с приборо- и машиностроением, медициной, а интерметаллидных
сплавов на основе соединений Ti
3
Al, TiAl и NiAl во вновь создаваемых
образцах новой техники.
Выводы:
И так, мы рассмотрели и проанализировали три вида материалов:
➢ углеволокно;
➢ стеклопластик;
➢ керамические композиты (керамокомпозиты).
Исходя из изученного можно сделать следующие выводы:
➢ в сравнении с другими композиционными материалами они наносят
меньше вреда, чем другие окружающей среде;
➢ высокопрочны;
➢ имеют наименьший удельный вес;
➢ стойкость к вибрационным нагрузкам и ударам.
➢ обеспечивают высокий уровень рабочих температур.
В связи с тем, что в настоящее время экологическая ситуация в стране
оставляет желать лучшего, применение экологически чистых материалов в
машиностроении будет своевременно и целесообразно
Список используемой литературы:
1. Гредел, Т.Е. Промышленная экология / Т.Е.Гредел, Б.Р.Алленби /Пер.с
англ. Под ред. Э.В. Гирусова (Серия «Зарубежный учебник»). – М.:
Изд-во ЮНИТИ, 2014.
2. Ансеров Ю.М., Дурнев В.Д. Машиностроение и охрана
окружающей среды. - Л.: Машиностроение, 2013. - с. 224.
Интернет-ресурсы:
http://www.wood.ru
http://www.edpscirnces.org/radiopro
