Новые материалы в машиностроении.

-
...

Содержание
Введение 3
1 Краткий обзор состояния отрасли 4
1.1 Состояние и перспективы развития современного машиностроения 4
1.2 Конструкционные материалы 5
2 Новые материалы, применяемые в машиностроении 8
2.1 Металлы с памятью формы 8
2.2 Применение ЭПФ в освоении космоса 9
2.3 Наноструктурные материалы 11
2.3.1 Общая характеристика наноматериалов 11
2.3.2 Основные направления применения наноматериалов 13
Список литературы 17

ВВЕДЕНИЕ
Развитие машиностроения неразрывно связано с производством новых материалов. Наука «материаловедение» уходит своими корнями в далекое прошлое, поскольку во все времена от использования природных и созданных человеком материалов зависели прочность, надежность и долговечность выполненных из них деталей, изделий и машин.
Выпускаемые в настоящее время изделия работают в очень тяжелых эксплуатационных условиях. Столетия известные стали и чугуны уже не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к различным изделиям многих отраслей техники.
Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур – от -269°С у сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Ре шение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов для современной техники, обогащает материаловедение.
XX век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике науки о материалах: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов, разработаны композиционные материалы, керамики, техническое стекло, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники, получены наноструктурные материалы, широкое применение получили полимерные материалы и многое другое.
Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей методами пластического деформирования, термической и химикотермической обработкой.
Постоянно разрабатываются и все большее применение имеют различные покрытия, позволяющие значительно улучшить качество поверхностей и их защиту от агрессивных сред как самих изделий, так и режущих инструментов.

Композиционные КМ по удельной прочности, демпфированию и удельному модулю упругости могут превосходить стали и алюминиевые сплавы, а также обеспечивать снижение массы конструкций на 20-50%.Конечно, рассказать в рамках одной реферативной работы обо всех современных машиностроительных материалах не представляется возможным, да автор данной работы и не ставил перед собой такую цель. В вышеизложенном параграфе приведен краткий обзор современных конструкционных материалов. В свою очередь, во втором разделе мы подробнее остановимся на тех материалах, которые вызвали у нас особый интерес – своей эффективностью, низкой стоимостью, неожиданной на первый взгляд областью применения, а, может быть, и тем, и другим, и третьим.2 Новые материалы, применяемые в машиностроении2.1 Металлы с памятью формыДолгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации.Явление самопроизвольного восстановления формы – эффект памяти формы (ЭПФ) – может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000-1300 МПа.Металлы, обладающие ЭПФ, относятся к числу наиболее ярких представителей материалов со специальными свойствами. Повышенный интерес к этому металлургическому феномену обусловлен уникальным сочетанием высоких обычных механических характеристик, сопротивления усталости, коррозионной стойкости и необычных свойств, таких как термомеханическая память, реактивное напряжение, основанных на термоупругом мартенси гном превращении.Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Значения физико-механических характеристик меняются в несколько раз при обратимом фазовом переходе аустенит – мартенсит для разных сплавов в интервале температур обычно от -150 до + 150 °С.Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti-Ni эквиатомного состава (примерно 50:50% (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитино-лом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Cu-Al-Ni и Cu-Al-Zn.Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре маргенситного превращения.После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоуиругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях. В никелиде титана объемные изменения составляют около 0,34%, что на порядок меньше, чем в сталях (около 4%).Сплавы с ЭПФ часто относят к так называемым интеллектуальным материалам, позволяющим создавать принципиально новые конструкции и технологии в разных отраслях машиностроения, авиакосмической и ракетной техники, приборостроения, энергетики, медицины и др. Рассмотрим некоторые объекты применения сплавов с ЭПФ.2.2 Применение ЭПФ в освоении космосаОсвоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием орбитальных станций и крупным космическим строительством. Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнечные батареи и космические антенны.На REF _Ref372793921 \h Рис. 1 приведена схема космического аппарата с антеннами саморазворачивающейся конструкции. Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti-Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения, в результате чего она выходит в космическое пространство.Рис. SEQ Рисунок \* ARABIC 1. Схема космического аппарата с самотрансформирующимися элементами:1 - антенна, 2 - механический стабилизатор, 3 - излучатель энергии, 4 - солнечная батарея.С учетом высоких требований к технике безопасности, а так же совершенно уникальную специфику работы материалов и их сборки в условиях открытого космоса, в нашей стране была создана уникальная технология соединения элементов в открытом космосе с использованием муфты из сплава ТН-1.Эта технология была успешно применена при сборке конструкции фермы из алюминиевых сплавов общей длиной 14,5 м и поперечным сечением в виде квадрата со стороной 0,5 м. Ферма состояла из отдельных трубчатых деталей диаметром 28 мм, которые соединялись между собой с помощью муфты из металла с памятью формы ( REF _Ref372794104 \h Рис. 2).Муфту с помощью дорна деформировали при низкой температуре таким образом, чтобы ее внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяемых элементов. После нагрева выше температуры обратного мартенситного превращения внутренний диаметр муфты восстанавливался до того диаметра, который муфта имела перед расширением.При этом генерировались значительные обжимающие реактивные усилия, соединяемые элементы пластически деформировались, что обеспечивало их прочное соединение.Рис. SEQ Рисунок \* ARABIC 2. Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из металла с памятью формы: а - до сборки, 6 - после нагрева.Не меньший интерес вызывает применение ЭПФ в медицине.2.3 Наноструктурные материалы2.3.