Лабораторна робота №1

Конструкційні матеріали та їх властивості.

Визначення твердості металів

Рiзнi матерiали, що використовуються для виробництва деталей машин, приладiв та iншої технiки називаються конструкцiйними. Деталi машин виготовляють рiзними способами за допомогою рiзноманiтних iнструментiв - пресформ, штампiв, рiзального iнструменту тощо. Для виготовлення iнструментiв застосовують iнструментальнi матерiали.

Конструкцiйнi матерiали подiляють на металевi та неметалевi. Частка металевих матерiалiв складає бiльше 90 % об’єму конструкцiйних матерiалiв, що використовуються в машинобудуваннi. До них вiдносяться сплави на основi залiза – сталi та чавуни (чорнi метали), сплави на основi мiдi, алюмiнiю, магнiю та титану (кольоровi метали). До неметалевих конструкцiйних матерiалiв вiдносять пластмаси, гуму, картон, дерево, скло, азбест та iншi.

Серед металевих конструкцiйних матерiалiв чорнi метали мають найбiльше значення. Особливо широко застосовують рiзнi сталi як для виробництва деталей, так i рiзного iнструменту. Cталь - це сплав на основi залiза та вуглецю, що практично мicтить до 1,5% вуглецю. Залежно вiд хiмiчного складу сталi подiляють на вуглецевi та легованi.

Вуглецевi сталi крiм залiза та вуглецю завжди мiстять домiшки, якi потрапляють в сталь в процесi її виробництва. Це марганець ( 0,8%), кремнiй ( 0,4%), фосфор ( 0,05 %) i сiрка ( 0,05%). Марганець та кремнiй не погiршують властивостей сталi i їх вважають корисними, а фосфор та сiрка рiзко зменшують мiцнiсть та пластичнiсть сталi i є шкiдливими домiшками.

Суттєвий вплив на властивостi сталi має вуглець. Тому залежно вiд вмiсту вуглецю сталi подiляють на низьковуглецеві (0,3%), середньовуглецевi (0,3-0,5%) i високовуглецевi (>0,5 %).

За призначенням вуглецевi сталi подiляють на конструкцiйнi та iнструментальнi.

Конструкцiйнi вуглецевi сталi застосовують для виготовлення помiрно навантажених деталей машин. Залежно вiд якостi їх подiляють на двi категорiї - сталi звичайної якостi (ГОСТ 380-88) та сталi якiснi вуглецевi (ГОСТ 1050-74).

Сталi звичайної якостi залежно вiд показникiв, що гарантуються державними стандартами, поставляються трьох груп: A, Б, В. В сталях групи А завод-виробник гарантує механiчнi властивостi (мiцнiсть, пластичнiсть), в сталях групи Б - хiмiчний склад, а в сталях групи В - механічні властивості i частково хiмiчний склад. Сталi звичайної якостi маркують таким чином:

Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6 (група А);

Б Ст 0, Б Ст 1, Б Ст 2, Б Ст 3, Б Ст 4, Б Ст 5, Б Ст 6 (група Б);

В Ст 0, В Ст 1, В Ст 2, В Ст 3, В Ст 4, В Ст 5 (група В).

Цифра вказує на вiдносну якiсть сталi (чим бiльше число, тим краща сталь). Цi сталi, як правило, низьковуглецевi, добре обробляються як в холодному, так i в гарячому станi, зварюються. Проте вони не змiцнюються термiчною обробкою i з них виготовляють другорядні деталi машин, металевi будiвельнi конструкцiї.

Вуглецевi якiснi сталi вiдповiдно до ГОСТу 1050-74 поставляються таких марок: сталь 08, сталь 10, сталь 15, сталь 20, …, сталь 65. Число в марцi цих сталей вказує на вмiст вуглецю в сотих долях процента. Так, наприклад, широко вiдома з цього класу сталь 45 мiстить 0,45 % С. Середньо- та високовуглецевi якiснi сталi змiцнюються термiчною обробкою. Їх застосовують для виготовлення помiрно навантажених деталей.

Iнструментальнi вуглецевi сталi (ГОСТ 1435-74) поставляються якiсними та високоякiсними. Якiснi сталi виготовляються марок У7, У8, У9, ..., У13, де число вказує на вмiст вуглецю в десятих долях процента. Так, наприклад, сталь У10 мiстить 1% С. Високоякiснi сталi У7А, У8А, ..., У13А вiдрiзняються тим, що в них вмiст сiрки та фосфору обмежений в порiвняннi з якiсними сталями. Якщо в сталi У7 вмiст фосфору 0,03-0,05% i сiрки 0,03 - 0,05%, то в сталi У7А вмiст кожної з цих домiшок не повинен перевищувати 0,03%. Iнструментальнi вуглецевi сталi застосовують для виготовлення слюсарного, деревообробного, садово-городнього та iнших iнструментiв i знарядь працi.

Легованi сталi на вiдмiну вiд вуглецевих мiстять спецiально введенi елементи (з метою полiпшення механiчних або надання спецiальних властивостей сталi). Такi елементи називаються легуючими i до них вiдносяться хром, нiкель, титан, марганець (>0,8%), кремнiй (>0,5%), кобальт, вольфрам, молiбден, ванадiй та iншi. За вмiстом легуючих елементiв цi сталi подiляються на низьколегованi (до 5%), середньолегованi (5-10 %) i високолегованi (бiльше 10%). За призначенням легованi сталi поділяють на конструкцiйнi, iнструментальнi та спецiальнi.

Для маркування легованих сталей прийнята система, згiдно якої кожному легуючому елементу вiдповiдає певна літера, а цифра пiсля літери вказує вмiст цього елементу в процентах. Якщо пiсля літери цифра вiдсутня, то вмiст елементу до 1%. Легуючi елементи позначають: хром - Х, нiкель - Н, титан - Т, марганець - Г, кремнiй - С, кобальт - К, вольфрам - В, молiбден - М, ванадiй - Ф, мiдь - Д i алюмiнiй - Ю.

В марках конструкцiйних легованих сталей першi цифри (до букви) вказують на вмiст вуглецю в сотих долях процента, а в iнструментальних сталях - в десятих долях процента. Якщо перед літерами цифра вiдсутня, то вмiст вуглецю близько 1%.

Приклади:

1) 18Х2Н4Т - конструкцiйна сталь, що мiстить 0,18 % С, 2% Сr, 4 % Ni, 1 % Ti;

2) 30ХГСА - конструкцiйна високоякісна сталь, що мiстить 0,30 % С, 1%Cr, 1% Mn, 1 % Si;

3) 5ХНВ - iнструментальна штампова сталь, що мiстить 0,5% C, 1 % Cr, 1 % Ni, 1 % W;

4) Х12М - iнструментальна сталь, що мiстить 1% C, 12% Cr, 1% Mo.

Марки деяких сталей є винятком iз загального правила. Зокрема це вiдноситься до шарикопiдшипникових та iнструментальних швидкорiзальних матерiалiв.

В шарикопiдшипникових сталях мiститься хром, вмiст якого вказується в десятих долях процента, а не в цiлих процентах як в марках iнших сталей, наприклад, сталь ШХ15 мiстить 1%С i 1,5%Cr.

В марках швидкорiзальних сталей вмiст вольфраму в процентах визначається пiсля літери Р, наприклад: Р18 - швидкорiзальна iнструментальна сталь, що мiстить 1% C, 18% W; Р6М5 - сталь швидкокорiзальна, що мiстить 1% С, 6% W, 5% Mo.

Крiм вуглецевих та легованих сталей як конструкцiйнi матерiали широко використовують сплави на основi кольорових металiв. Серед них значне мiсце займають сплави на основi мiдi – бронзи i латунi.

Бронза - це сплав мiдi з рiзними елементами, вмiст яких також можна визначити за маркою сплаву. В марках бронз завжди стоять літери “Бр”, за якими слiдують позначення легуючих елементiв (O - олово, А - алюмiнiй, Ф - фосфор, Б - берилiй, Мц ‑ марганець, К - кремнiй, С - свинець, Ж - залiзо i Ц - цинк), а потiм вказується цифрами вмiст легуючих елементiв в процентах вiдповiдно до порядку розмiщення букв. Наприклад, БрА5 - бронза, що мiстить 5% алюмiнiю i 95% міді; БрБ2 - бронза, що мiстить 2% берилiю i 98% мiдi; БрОФ10-1 - бронза, що мiстить 10% олова, 1% фосфору i 89% мiдi. Бронзи характеризуються низьким коефiцiєнтом тертя, стiйкi проти зношування, з них виготовляють пiдшипники ковзання.

Латунь - це сплав мiдi з цинком та iншими елементами. За хiмiчним складом їх подiляють на простi та складнi. В марках простої латунi перша літера "Л", а число пiсля неї визначає процентний вміст мiдi. Наприклад, Л63 – латунь проста, що мiстить 63% мiдi, решта 37% – цинк. В марках складних латуней вказуються легуючi елементи так само, як i в марках бронз, а вмiст легуючих елементiв позначають цифрами через дефіс пiсля числа, що вказує вмiст мiдi. Наприклад, ЛКС80-3-3 - латунь, що мiстить 80% мiдi, 3% кремнiю i 3% свинцю, решта 14% цинку. Латунi надiленi антикорозiйними властивостями, з них виготовляють рiзнi деталi та вироби, що працюють в контактi з водою, водяною парою.

Сплави на основi алюмiнiю та магнiю вигiдно вiдрiзняються тим, що виготовленi з них деталi та вироби в 2,5...3 рази легшi сталевих i латунних, але поступаються перед ними мiцнiстю. За технологiчними властивостями цi сплави подiляються на ливарнi (АЛ, МЛ) і на ті, які деформуються (АК, МА), що вказується в марках цих сплавiв, наприклад, АЛ‑2, АЛ-4, АК-6, МЛ-2, МА-9 та iншi. Цифра в марцi цих сплавiв є умовним позначенням i визначити хiмiчний склад за маркою не можна. Для цього користуються спецiальними довiдниками.

Сплави на основi благородних металiв (золота, срiбла, платини) використовуються для виготовлення деталей, що працюють в хімічноактивних середовищах, а також для ювелiрних виробiв. Вмiст благородних металiв визначається пробою, яка вказує масу благородного металу в 1000 г сплаву. Так, наприклад, золото проби 375 мiстить 375 г золота в 1000 г сплаву, а решту складає срiбло, мiдь та iншi метали. Державними стандартами встановлено проби золота: 375, 500, 585, 750 i 958; проби срiбла: 750, 800, 875, 916, 925, 960 та проба платини 950.

Мета роботи - вивчити основні методи та прилади для визначення твердості і набути практичних навиків визначення твердості за методами Брінеля і Роквелла.