Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет

Институт машиностроения «ЛМЗ-ВТУЗ»

Кафедра «Оборудование и технологии производства

Металлоконструкций»

Технология конструкционных материалов

Лабораторная работа №1

Выполнил:

Группа В12712/1

Проверил: Кратович Л.Ф.

Санкт-Петербург 2014г.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Цель работы — изучение признаков классификации железо-углеродистых сплавов и сплавов цветных металлов, их маркировки, свойств и областей применения.

Основные теоретические сведения. Свойства материалов машиностроения.

Номенклатура применяемых в промышленности материалов довольно обширна. Фактические данные о материале включают сведения о химическом составе и основных свойствах.

Различают пять групп основных свойств материала:

физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные.

Одновременно в данных о материале указывают его назначение или область применения.

Физические свойства включают: температуру плавления, плотность, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, электросопротивление.

Химические свойства характеризуют специфику межатомного взаимодействия в структуре материала и одновременно способность материала участвовать в химических реакциях с окружающей средой.

Механические свойства объединяют: прочность, пластичность, твердость и ударную вязкость. Они обусловлены внутренней структурой материала и проявляются под воздействием внешних сил. Механические свойства наиболее важны в инженерной практике, так как именно они определяют выбор марки материала и являются приемосдаточными характеристиками.

Прочность - свойство материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, неравномерные температурные, магнитные, электрические поля, неравномерные высыхание или набухание, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях тела). Испытание образца на растяжение сопровождается автоматической записью диаграммы, по которой определяют показатели прочности:

• предел текучести: σ_Τ МПа - физический (для малопрочных материалов, имеюших плошадку текучести на диаграмме растяжения) или σ_0,2 МПа - условный (для материалов средней и высокой прочности, не имеющих площадку текучести на диаграмме растяжения);

• предел прочности (временное сопротивление разрушению при растяжении) σ_в, МПа.

Более точную зависимость между деформацией образца и нагрузкой показывают диаграммы истинных напряжений. Истинное напряжение определяют делением нагрузки на площадь поперечного сечения образца в каждый момент испытания (в отличие от традиционного расчета по начальной площади сечения образца) В этом случае характеристикой прочности служит истинное сопротивление разрушению S_К, МПа.

Пластичность - свойство твердых тел необратимо деформироваться без разрушения под действием механических нагрузок. Различают характеристики пластичности:

• относительное удлинение δ,%;

• относительное сужение ѱ, %.

Твердость - сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - наконечника (индентора). В зависимости от метода испытания и испытываемого материала твердость оценивается различными показателями. В большинстве случаев твердость определяется по размеру оставшегося на поверхности отпечатка:

• по Бринеллю - НВ, Н/мм²(МПа);

• по Роквеллу - НRС, НRА и НRВ, (безразмерная);

• по Виккерсу - HV, Н/мм²(МПа).

Ударная вязкость - механическая характеристика, оценивающая работу разрушения надрезанного образца при ударном изгибе на маятниковом копре. Обозначение ударной вязкости зависит от вида концентратора напряжений (надреза) на образце: КСU; КСV; КСТ% МДж /м².

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным методам обработки, т.е. различным технологическим процессам производства заготовок или деталей. С учетом современных технологий различают технологические свойства:

• литейные свойства:

• жидкотекучесть;

• усадка;

• ликвация (неоднородность);

• склонность к поглощению газов;

• склонность к образованию трещин.

Знание указанных свойств необходимо для изготовления качественных отливок, получаемых из литейных материалов;

• деформируемость (технологическая пластичность) - способность твердого тела изменять размеры и форму без разрушения под влиянием внешней нагрузки при обработке давлением Материалы с удовлетворительной деформируемостью носят название деформируемых;

• свариваемость — способность материала при установленной технологии сварки образовывать механически неразъемное соединение, отвечающее требованиям эксплуатации изделия. Материалы, используемые в сварочном производстве, составляют группу свариваемых материалов;

• обрабатываемость резанием — свойство материала, которое оценивается величиной его скорости резания при заданной норме стойкости инструмента. Обрабатываемость резанием косвенно характеризует интенсивность изнашивания инструмента;

• закаливаемость — способность материала повышать твердость в процессе термической обработки (закалки).

Эксплуатационные свойства - комплекс служебных характеристик материала, зависящих от условий работы изделия.

Различают эксплуатационные свойства:

• хладноломкость — свойство материала разрушаться при понижении температуры без заметных признаков пластической деформации;

• коррозионная стойкость — сопротивление материала действию рабочих сред (воздуха, воды, водных растворов, масла, радиоактивных сред);

• жаростойкость — сопротивление материала действию газовой коррозии при повышенных температурах;

• жаропрочность — способность материала сохранять необходимую длительную прочность при высоких температурах;

• износостойкость — способность материала прирабатываться к другому материалу, обусловленная низким коэффициентом трения при работе узла в целом.

Сплав

Сплав - макроскопически однородное вещество, полученное сплавлением (спеканием, электролизом, возгонкой) двух или более элементов (компонентов).

Варьируя состав сплава (изменяя его легирование) и методы его обработки, можно получать материалы с различными свойствами.

Тип взаимодействия атомов компонентов при кристаллизации определяет тип структурных составляющих трех видов сплавов:

• механическая смесь (эвтектика);

• твердый раствор (внедрения, замещения, вычитания);

• химическое соединение.

Графическое изображение превращений, протекающих в сплавах при изменении температуры и концентрации компонентов, называют диаграммой состояния сплавов.

Согласно Курнакову Н. С., между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов существует определенная связь. Например, образование механической смеси вызывает изменение свойств по линейному закону, т.е. свойства таких сплавов изменяются пропорционально изменению концентрации компонентов. Образование химического соединения вызывает резкое (скачкообразное) изменение свойств.

Факторы, учитываемые при выборе и разработке сплавов:

• назначение детали;

• служебные характеристики, установленные разработчиком изделия;

• обрабатываемость, обусловленная технологическими свойствами;

• товарный вид детали, определяемый отделкой поверхности;

• экономическая эффективность.

Понятия "сплав" и "металл" в технике идентичны.

Железоуглеродистые сплавы: стали и чугуны

Сталь

Сталь — сплав, содержащий более 50% Fе, до 2,14% C и примеси: постоянные (Si, Mn, А1, S, Р), технологические (Mn, Si, Al), скрытые (О, Н, N), случайные (Сu, Pb, As).

Но способу производства заготовок различают стали:

• деформируемые;

• литейные.

Деформируемые стали классифицируют по признакам:

• химическому составу;

• качеству:

• назначению.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные в зависимости от изменения содержания постоянных примесей (Si, Mn, Al), а также специально вводимых при выплавке легирующих элементов (Ni, Cr, Mo, V, Ti, W, Co, Nb). Легирующие элементы и их количество указывают в марке сплава соответственно буквами и цифрами (табл. 1).

Таблица 1

Обозначение легирующих элементов в марках железоуглеродистых и жаропрочных никелевых сплавов

Условное обозначение	Название	Условное обозначение	Название	Условное обозначение	Название
А	Азот	Л	Бериллий	У	Углерод
Б	Ниобий	М	Молибден	Ф	Ванадий
В	Вольфрам	И	Никель	X	Хром
Г	Марганец	П	Фосфор	Ц	Цирконий
Д	Медь	Р	Бор	Ч	Редкоземе-льные элементы
Е	Селен	С	Кремний	Ю	Алюминий
К	Кобальт	Т	Титан

Для углеродистых сталей характерно отсутствие легирующих элементов и минимальное содержание технологических примесей: Мn ≤ 0.80%, Si ≤ 0,62%;А1 ≤0,02%. С их помощью сталь раскисляют в процессе производства.

Раскисление — операция удаления из жидкого металла, растворенного в нем кислорода. Осуществляется присадкой элементов-раскислителей в шлак, контактирующий с жидким металлом, либо непосредственно в жидкий металл. При этом протекает химическая реакция типа

FeO + Mn = MnO + Fe (пример раскисления стали одним раскислителем ферромарганцем).

По качеству стали делят на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные в зависимости от способа выплавки и, как следствие, от общего содержания примесей.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные (быстрорежущие, штамповые, для хирургического и мерительного инструмента) и специальные (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические) в зависимости от структуры и свойств.

Легирование является одним из способов упрочнения сталей, так как предназначено для повышения прокаливаемости. Прокаливаемость оценивают глубиной слоя с повышенной твердостью, получаемой закалкой (быстрым охлаждением из области высоких температур). Характеристика прокаливаемости — критический диаметр D_K, который оценивает максимальное сечение детали, прокаливающейся насквозь в одном охладителе. Углеродистые стали имеют небольшую прокали ваемость — D_K < 15 мм, именно поэтому потребность в легировании стали становится очевидной.

Литейные стали (ГОСТ 977-88) классифицируют по признакам:

• химическому составу;

• назначению;

• содержанию вредных примесей: S и P.

Содержание вредных примесей — S (0,03...0,06%) и Р (0,04...0,08%) — в литейных сталях обусловлено способом выплавки и требованиями, предъявляемыми к продукции (отливкам).

Чугун

Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% С, постоянные примеси и легирующие элементы. Чугун является литейным материалом с высокими технологическими свойствами. Чугун как конструкционный материал следует классифицировать на две группы:

• графитизированный;

• специальный и легированный.

Графитизированный чугун содержит в структуре свободный С — графит. Возможны три формы графита: пластинчатая, хлопьевидная и шаровидная.

Специальные и легированные чугуны содержат в структуре карбиды Fе и легирующих элементов. Износостойкие белые чугуны — это группа хромистых, марганцово-хромистых и никель-хромистых чугунов. Жаростойкие и коррозионностойкие чугуны — это хромистые, кремнистые, алюминиевые чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом.