3 сем / ТКМ. Лаб. практикум_2022 - копия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

___________________________

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

В. И. Новиков, М. М. Радкевич, В. П. Третьяков

ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МЕТОДАМ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК

ПОЛИТЕХ-ПРЕСС Санкт-Петербург

2022

3

УДК 621.73/74+621.791 (076.5) ББК 34.51

Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого А. М. Золотов

Доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ) В. Е. Гордиенко

А в т о р ы:

В. И. Новиков, М. М. Радкевич, В. П. Третьяков

Новиков В. И. Технология конструкционных материалов. Лабораторный практикум по методам производства заготовок : учеб. пособие /

В. И. Новиков, М. М. Радкевич, В. П. Третьяков. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС,

2022. – 169 с.

Приведены сведения по содержанию и методике выполнения лабораторных работ и упражнений при изучении машиностроительных материалов и их свойств, влияния пластической деформации на структуру и механические характеристики стали, основных технологических процессов и операций получения заготовок для деталей машин.

Практикум предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 13.03.03 “Энергетическое машиностроение”, 23.03.01 “Технология транспортных процессов”, 23.03.02 “Наземные транспортно-технологические комплексы” и укрупненной группы 15.03.00 “Машиностроение” при изучении дисциплины “Технология конструкционных материалов”.

Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2022

4

8.Исследование технологических возможностей операций

5

ВВЕДЕНИЕ

«Технология конструкционных материалов» является основополагающей общепрофессиональной дисциплиной и входит в большинство учебных планов подготовки бакалавров и специалистов в области «Техника и технологии», сохраняя общность цели даже при отличии трудоемкости её изучения в разных образовательных программах.

Цель этой дисциплины – формирование компетентности выпускника в области производственных процессов изготовления материалов, заготовок и деталей, а также следующих обобщенных знаний и умений:

знания конструкционных материалов и их свойств, методов получения и обработки заготовок при изготовлении изделий с заданным качеством продукции, физических основ и параметров технологических процессов, области их применения, применяемого оборудования и инструментов; умения определять последовательность технологических операций при изготовлении деталей различного типа, анализировать технологич-

ность изделий и разрабатывать предложения по ее улучшению.

Учебное пособие «Технология конструкционных материалов. Лабораторный практикум по методам производства заготовок» содержит краткие сведения по курсу, методические указания по организации и порядку проведения занятий, а также рекомендации по оформлению отчётов. Лабораторные работы и связанные с ними упражнения предназначены для углублённого изучения свойств и области применения машиностроительных материалов, методов получения заготовок литьём, пластическим деформированием и сваркой, а также изделий из порошков. Выполнение лабораторных работ с применением технологической оснастки и оборудования направлено на овладение умений экспериментирования и формирование образного представления о процессах получения заготовок.

Практическая составляющая работ является дополнением к теоретическому материалу лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов», охватывая вопросы технологичности изделий, механических характеристик материала заготовок и особенностей процессов их изготовления. Это формирует навыки инженерных расчетов при решении задач профессиональной деятельности в области выбора материала и получения

6

заготовок. Важным моментом является возможность трансформация лабораторных занятий в практикум, что особенно востребовано при переходе на дистанционное обучение.

Представленный лабораторный практикум содержит цель и задачи занятия, его теоретические основы, методику проведения работы, индивидуальные задания и содержание отчёта. При наличии в структуре занятий общей части предусматривается самостоятельная работа каждого студента для формирования умений в области технологических методов производства заготовок при подготовке к занятиям, при выполнении индивидуальных заданий и оформлении отчётов. Самостоятельная работа студентов предусматривает возможность расширить свои знания при использовании основной [1, 2] и дополнительной литературы [3÷10], приведённой в разделе «Библиографический список».

Учебное пособие направлено на формирование общепрофессиональных компетенций и соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВО) по укрупненным группам направлений подготовки бакалавров 15.00.00 «Машиностроение», 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» и другим. Его можно применять при подготовке специалистов и других направлений, например, педагогов для системы среднего специального образования 44.03.04 «Профессиональное обучение (по отраслям)».

В содержании данного учебного пособия отражены особенности методологии преподавания дисциплины «Технология конструкционных материалов», сложившиеся в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ), с учётом накопленного опыта и разработок В. Г. Подпоркина, М. А. Шатерина, Г. И. Филиппова, А. В. Малькевича, А. Г. Алексеева, Е. И. Серякова и других.

Авторы выражают искреннюю благодарность и признательность рецензентам А. М. Золотову и В. Е. Гордиенко за конструктивные замечания и предложения, высказанные при прочтении рукописи книги.

7

1. МАРКИРОВКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: знания классификации, правил маркировки черных и цветных металлов; умения определять качество сталей и область применения в машиностроении различных материалов.

Общие сведения

Для производства заготовок и деталей применяют различные материалы: сталь, чугун (железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,14 %), сплавы цветных металлов, пластмассы, порошковые и композиционные материалы, резину, пиломатериалы, стекло, герметики, металлические и лакокрасочные покрытия. Выбор материалов должен соответствовать основным критериям работоспособности изделий и требованиям технологичности. Самыми распространенными материалами в современном машиностроении являются черные и цветные металлы, при этом, стали представлены наибольшим числом марок.

Классификация и маркировка черных металлов

Стали и сплавы. Наибольшее число марок характерно для сталей и сплавов. Они классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу стали разделяют на углеродистые и легированные. Классификация стали по качеству (табл. 1.1) определяет содержание в них вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора).

По назначению различают следующие классы сталей: конструкционные, строительные, инструментальные, машиностроительные специализи-

8

рованного назначения, с особыми физическими и химическими свойствами.

Стали конструкционные применяют во всех областях машиностроения для изготовления различных деталей (валы, оси, шестерни и т.п.) из проката, поковок, отливок и сварных конструкций. Содержание углерода в конструкционных сталях находится в пределах от 0,05 до 0,60 %. Легирующие элементы определяют механические и эксплуатационные свойства сталей.

К строительным сталям относятся углеродистые и низколегированные стали, обладающие высокой ударной вязкостью, пластичностью и свариваемостью. В сталях для свариваемых конструкций содержание углерода обычно не превышает 0,2...0,25 %, для высокопрочных конструкций – 0,49 %, в сталях с добавками марганца и кремния для армирования железобетонных конструкций – 0,37 %.

Стали инструментальные (углеродистые и легированные) имеют высокую твердость, износостойкость и прочность, используют для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов и прессформ.

Стали и сплавы машиностроительные специализированного назна-

чения оцениваются по механическим характеристикам при низких (криогенных) и высоких температурах, а также по технологическим и эксплуатационным параметрам. К этому классу сталей относят: жаростойкие и жаропрочные, для работы при низких температурах (хладостойкие стали), высокопрочные, износостойкие, рессорно-пружинные, автоматные и другие.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами используют в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и электронной отраслях промышленности. К этому классу относятся сплавы с заданным коэффициентом термического расширения, с определенным уровнем упругих или магнитных свойств (немагнитные, магнитомягкие, магнитотвердые), с особенностями электросопротивления (проводниковые, с высоким электросопротивлением, диэлектрики) и другие.

Стали с особыми химическими свойствами (коррозионностойкие или нержавеющие во влажной среде), имеющие содержание хрома более

9

12 %, применяют для изготовления химического и пищевого оборудования, хирургического инструмента и деталей, эксплуатируемых в атмосферных условиях и при повышенной температуре, в растворах кислот и солей.

В Российской Федерации принято буквенно-цифровое обозначение (комбинация цифр и заглавных букв русского алфавита) марок стали. Первые две цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Следующие далее буквы являются сокращенным обозначением введенных легирующих элементов (табл. 1.2). Число, стоящее после букв, показывает содержание этих элементов в целых процентах.

Отсутствие цифр за буквой означает, что содержание данного элемента находится в пределах 1 % (от 0,5 до 1,5 %). Содержание титана и ванадия в конструкционных сталях составляет 0,1...0,3 %, молибдена – 0,15...0,5 %, азота – 0,0015...0,03 %. Бор, ниобий, селен, цирконий, иттрий и редкоземельные элементы обычно содержатся в очень малых количест-

вах – 0,01...0,001 %.

Степень раскисленности стали указывается буквами в конце марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Большинство сталей выплавляется полностью раскисленными, поэтому буквы «сп» в их обозначении отсутствуют. Буква Л в конце марки стали обозначает сталь литейная, буква К – углеродистая котельная.

Таблица 1.2

Обозначение элементов в марках легированных сталей

Обозначение легирующих элементов

Особовысококачественные стали и сплавы обозначают в конце марки через дефис буквами ВИ (вакуумно-индукционный переплав), ВД (ва-

10

куумно-дуговой переплав), Ш (электрошлаковый переплав), ШД (вакуумнодуговой переплав стали электрошлакового переплава), ЭЛ (электроннолучевой переплав), ИД (ваккумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом) и т. д.

Буква А пишется в конце марки при обозначении высококачествен-

ных сталей. Все легированные инструментальные стали и стали с особыми свойствами (нержавеющие, магнитные и др.) всегда высококачественные, поэтому при маркировке этих сплавов буква А в конце марки не указывается.

Особенности маркировки отдельных групп сталей и сплавов

1.Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) обозначаются индексом „Ст“ и порядковым номером, например, Ст0, Ст1пс, Ст4кп, Ст5Гпс, Ст6сп. Буквы „Ст“ означают „сталь“, числа от 0 до 6 – порядковый номер марки в зависимости от химического состава.

2.В начале марки сталей иногда ставят буквы, указывающие на их назначение: А – автоматные, У – углеродистые инструментальные, Р – быстрорежущие, Ш – шарикоподшипниковые, Е – электротехнические магнитотвердые (деформируемые), С – сталь для строительных конструкций.

Автоматные стали обозначают буквой «А», последующее число в маркировке обозначает содержание углерода в сотых долях процента, далее идёт буквенно-цифровое обозначение легирующих добавок (согласно общему обозначению марок конструкционных сталях). Для улучшения обрабатываемости, повышения стойкости инструмента и повышения скорости резания в углеродистых сталях (А11, А12, A30, А35) имеется повышенное количество серы и фосфора (0,08...0,3 % S и 0,06...0,15 % Р), в легированные стали дополнительно вводят Pb, Са, Se (селен), Те (теллур). Марки легированных автоматных сталей: AC38Г2, АС20ХГНМ (с добавками свинца 0,15...0,3 %), АЦ30, АЦ20ХН3 (с добавками Са –

0,002...0,009 %), АС40ХЕ (с добавкой Se – 0,04...0,1 %).

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой «У», а следующее за ней число, обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце марки, указывает на то, что сталь является высококачественной.

11

Быстрорежущие сплавы обозначаются буквой «Р». После этой буквы следует число, которое определяет содержание основного легирующего элемента для сталей данной категории — вольфрама.

Шарикоподшипниковые стали обозначаются буквой «Ш» – шарикоподшипниковая, «X» – хромистая и числом, указывающим содержание хрома в десятых долях процента. Содержание углерода в подшипниковых сталях составляет около 1 %.

Структура маркировки деформируемых магнитотвёрдых сталей подобна структуре маркировки инструментальных легированных сталей. Например, сталь ЕХ5К5 расшифровывается как сталь магнитно-твердая, качественная, содержащая 1,0 % углерода, 5 % хрома, 5 % кобальта, остальное железо.

Строительные стали помечают буквой «С», число показывает минимальный предел текучести стали. Буквы в конце марки дают дополнительные сведения: К – повышенная коррозионная стойкость (С390К); Т – термоупрочнённый прокат (С345Т); Д – повышенное содержание меди

(С375Д).

3. Отдельные группы сталей и сплавов с особыми физическими свойствами, приобретаемыми в результате специального легирования и термической обработки, имеют свой способ обозначения.

Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая и ленты

(ГОСТ 3836-83); сортовая, кованая, холодно- и горячекатаная (ГОСТ 11036-75) с содержанием углерода до 0,04 % и кремния до 0,3 % маркируют пятизначным числом, например: 10864, 21880.

Первая цифра соответствует классу по структурному состоянию и виду проката (1 горячекатаная изотропная, 2 холоднокатаная изотропная); вторая содержанию кремния (0 сталь нелегированная, без нормирования коэффициента старения, 1 сталь нелегированная с нормированным коэффициентом старения); третья группе по основной нормируемой характеристике (8 коэрцитивная сила); четвертая и пятая количественному значению коэрцитивной силы в целых единицах, А/м.

12