10162

В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Учебное пособие

Нижний Новгород

2018

0

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Нижний Новгород ННГАСУ

2018

1

ББК 38.34

М 94 К 64

Рецензенты:

А. А. Хлыбов – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения, технологии материалов и технической обработки металлов НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Е. А. Чернышов – д-р техн. наук, профессор кафедры металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Мыльников В. В. Металлические материалы, применяемые в строительном машиностроении [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин; Нижегор. гос. архитектур.- строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 148 с.

1электрон. опт. диск (CD-R); ISBN 978-5-528-00304-7

Изложены общие сведения о металлах и сплавах, используемых в строительных машинах и оборудовании, рассмотрено атомно - кристаллическое строение, анизотропия, полиморфизм, процессы кристаллизации и способ построения диаграмм состояния двойных сплавов, диаграмма железо – цементит (Fe – Fe3C). Особое внимание уделено процессам, протекающим при нагреве и охлаждении сталей. Также приведены методы термической, термомеханической и химико-термической обработки наиболее применяемых в строительном машиностроении конструкционных сталей, методики определения механических свойств металлических материалов. Описаны общие принципы выбора и применения металлических материалов для деталей машин и конструкций.

Предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Строительные машины и оборудование», «Динамика и прочность машин», «Металловедение».

ББК 38.34

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………..5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ………………………………………………….6

1.1.Классификация металлов и сплавов………………………………..6

1.2.Атомно-кристаллическое строение и свойства металлов………..12

1.2.1.Основные типы кристаллических решеток……………………..12

1.2.2.Реальное строение металлических кристаллов…………………14

1.2.3.Анизотропия кристаллов…………………………………………19

1.3.Кристаллизация металлов…………………………………………..20

1.4.Физико-механические и технологические свойства……………...24

1.5.Хрупкое и вязкое разрушение……………………………….…......29

Контрольные вопросы…………………………………………………..34

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СПЛАВОВ………………..35

2.1.Построение кривых охлаждения…………………………………...35

2.2.Аллотропия (полиморфизм) металлов…………………………….38

2.3.Основные сведения о сплавах……………………………………...39

2.4.Метод построения диаграмм состояния двойных сплавов………43

2.5.Типовые диаграммы состояния двойных сплавов………………..48

2.6.Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы

состояния…………………………………………………………….59

Контрольные вопросы…………………………………………………..61

3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ (Fe-Fe3C)…61

3.1.Железо и его соединения с углеродом…………………………….61

3.2.Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (Fe-Fe3C)………..65

3.3.Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей

и чугунов…………………………………………………………… 68

Контрольные вопросы…………………………………………………..73

4. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ……………….74

3

4.1.Общие сведения о классификации и получении сталей…………74

4.2.Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей…77

4.3.Классификация и маркировка сталей и чугунов………………….80

4.4.Характеристика конструкционных сталей………………………..85

4.5.Высококачественные конструкционные стали и область их применения………………………………………………………….95

4.6.Особо высококачественные конструкционные стали и область

их применения……………………………………………………...97

Контрольные вопросы………………………………………...………...99

5. ВИДЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ………....99

5.1. Основы теории термической обработки…………………………..99 5.2. Термическая и термомеханическая обработка…………………..102 5.3. Химико-термическая обработка………………………………….107 5.4. Защита металлов и сплавов от коррозии…………………………112

Контрольные вопросы…………………………………………………114 6. ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ……………………….114

6.1.Определение твердости…………………………………………...115

6.2.Испытание на растяжение………………………………………...122

6.3.Испытание на изгиб……………………………………………….126

6.4.Определение ударной вязкости…………………………………..129

6.5.Испытание на усталостную прочность и долговечность конструкционных материалов…………………………………….136

6.5.1.Испытание на циклический чистый изгиб……………………..139

6.5.2.Испытание на циклический плоский поперечный изгиб……..141

6.5.3.Испытание на консольный изгиб вращающихся образцов…...143

Контрольные вопросы…………………………………………………145

Заключение……………………………………………………………..146

Библиографический список……………………………………………147

4

ВВЕДЕНИЕ

В инженерной практике вопросы выбора конструкционных материа-

лов играют огромную роль. При этом повышение прочности и долговеч-

ности деталей машин и конструкций является первоочередной задачей в технологическом процессе. Поэтому знание структурообразования и фазовых превращений в металлах и сплавах является необходимым для подготовки специалистов технических и строительных специальностей.

Современное состояние дисциплины позволяет говорить о том, что правильный выбор известных и новых материалов совершенно невоз-

можно проводить без знания физико-химических закономерностей и вопросов структурообразования. Появление же в машиностроении новых металлов и сплавов заставляет глубже изучать указанную дисциплину.

Целью настоящего пособия является оказание помощи студентам при подготовке лабораторных и практических работ, а также для само-

стоятельного изучения.

5

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.Классификация металлов и сплавов

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определѐнном геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы.

Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и элек-

тропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением

(прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение как «чистый металл», оно весьма условно, так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001%. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %).

Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существен-

ное влияние на свойства металла.

Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой проч-

ностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и техноло-

гических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью,

твердостью и износостойкостью и т.д.

Сплавами называются сложные вещества, полученные сплавлением

6

нескольких элементов. Сплав – макроскопически однородный металличе-

ский материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов.

Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250

МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.% прочность повышается до 980 МПа.

Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы:

черные (к ним относят железо и сплавы на его основе) и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В машиностроении в основ-

ном применяют черные металлы – чугуны и стали для изготовления осей,

валов, шестерен, подшипников и для других металлических конструкций и изделий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорого-

стоящими и дефицитными.

Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на вос-

становлении железа из его природных оксидов коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное же-

лезо соприкасается с коксом и превращается в чугун.

Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита) и белые (угле-

род в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его

образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Харак-

7

терные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах приведены на рис. 1.1. Существуют государственные стандарты,

регламентирующие разновидности чугуна. Основные из них показаны в таблице 1.1.

Рис. 1.1. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а – пластинчатая, б –

шаровидная, в – вермикулярная, г – хлопьевидная (компактная)

Таблица 1.1. Перечень основных разновидностей чугунов по государ-

Стали можно подразделить на две основные группы – углероди-

8

стые и легированные (рис. 1.2).

Углеродистые стали – основной конструкционный материал, кото-

рый используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.

Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения заданных свойств. По степени легированности стали подраз-

деляются на низколегированные, средне - и высоколегированные.

Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную, конструкционную и сталь высококачественную.

По назначению стали подразделяются на три группы: конструкцион-

ные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные угле-

родистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что многие э л е м е н т ы конструк-

ций и деталей машин соединяются сваркой, а углерод ухудшает свари-

ваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, исполь-

зуют для изготовления режущего и ударного инструмента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие,

нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т.д. Перечень государственных стандартов основных разновидностей ста-

лей приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Перечень основных разновидностей сталей по государ-

9