Содержание
Раздел II 3
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 27
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3 32
Контрольные срез знаний 33
Контрольный срез знаний 33
Контрольный срез знаний 34
Контрольный срез знаний 34
МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 35
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4 47
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5 56
МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ 57
МАТЕРИАЛЫ С МАЛОЙ ПЛОТНОСТЬЮ 60
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 6 71
МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ 72
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 81
Контрольная работа №2 102
Раздел III 103
МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 103
МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ 111
МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 117
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №7 120
РАЗДЕЛ IY 121
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ 121
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 128
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8 130
РАЗДЕЛ Y 131
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 131
ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ 139
РАЗДЕЛ II
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Студент должен
Знать:
Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам;
Классификацию конструкционных материалов;
Технические характеристики конструкционных материалов: прочность, надежность, долговечность и т.д.;
Маркировку и область применения стали
Уметь:
Расшифровывать марки углеродистых сталей;
Расшифровывать марки легированных сталей
Сведения о производстве чугуна и стали
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств, которое осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Рис. 2.1 Путь от чугуна и лома к стали
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0—4,4% С; до 0,6—0,8%, Si; до 0,25—1,0% Мn; 0,15—0,3% Р 0,03—0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90%: всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75—3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13%Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10—25% Мn и до 2% Si.
Рис. 2.2 Кремний в природе
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке).
Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей кон штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанной стали называют профилем. Совокупность личных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на : сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Для улучшения свойств литейных сплавов в процессе плавки, после плавки, в литейном раздаточном ковше или непосредственно в литейной форме производят модифицирование, легирование и рафинирование.
Модифицирование — введение в жидкий сплав после его плавки в сотых или десятых долях процента добавок — модификаторов, которые служат дополнительными центрами кристаллизации, обеспечивают более мелкозернистое строение сплава и более высокие его механические свойства. Для чугуна и стали модификаторами являются силикокальций, ферросилиций и др.
Легирование — введение в жидкий сплав различных добавок химических элементов (Cr, Ni, Сu, Mo,V, W, Ti, Со и др.) для придания сплаву особых свойств (жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.) за счет изменения его внутреннего строения.
Рафинирование — очистка сплавов от ненужных и вредных примесей. Удаление вредных примесей (серы и фосфора) из чугуна и стали выполняют рафинированием их марганцем и известняком.
Чугуны
Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержат легирующие элементы - никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Структурные составляющие чугуна: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидная эвтектика.
На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.
Рис. 2.3 Микроструктуры чугуна
Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от 2,7 до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет, иметь разную микроструктуру и механические свойства.
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун.
Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1—0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5—0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe + Fe3P + Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин).
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Мn, Сu и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно
Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам.
Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.
Серые чугуны — это литейный чугун он поступает в производство в виде отливок и является дешевым конструкционным материал, обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2-4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и т.д.
Рис. 2.4
Рис. 2.2 Микроструктура серого чугуна с пластинчатой формой графита
Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Графитные включения имеют форму кривых пластинок. Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными - на ферритной основе.
Рис. 2.5 Микроструктура чугуна с различной формой графита:
а — пластинчатый графит в сером чугуне, б шаровидный графит в высокопрочном чугуне, в — хлопьевидный графит в ковком чугуне
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Модификаторы — ферросилиций, силикоалюмнний, силикокальций и др.
Обозначение марок серого чугуна: С10, СЧ15,СЧ20,СЧ25,СЧ30,…СЧ45
Расшифровка:
СЧ- серый чугун, предел прочности при растяжении σв = МПа
Высокопрочный чугун. Он имеет ферритную или перлитную структуру , является разновидностью серого чугуна, модифицированного магнием. Одновременно с ним или несколько позже в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения графита шаровидной формы . Этот чугун обладает повышенной прочностью по сравнению обычными серыми чугунами.
Рис.2.6 Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита
Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др.
Марки высокопрочных чугунов: ВЧ38-17, ВЧ42-12,ВЧ45-5, ВЧ50-2,ВЧ60-2, …ВЧ120-4.
Расшифровка:
ВЧ –высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении σв = МПа и относительно удлинении δи -%.
Ковкий чугун— условное название более пластичного чугуна по сравнению серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы.
Рис.2.7 Микроструктура ковкого чугуна с хлопьевидной формой графита
В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун.
Рис.2.8 Отжиг белого чугуна
Перлитные ковкие чугуны имеют меньшее применение, чем ферритные ковкие чугуны.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие, как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др.
Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка кроме прочности должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.).
Износостойкие –обозначаются буквами ИЧ, и маркируются по содержанию легирующих элементов: ИЧХ4Г7Д, ИЧХ28Н2, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ12Г3М и т.д. – применяют для изготовления лопаток дробеметных турбин, шаров и броневых плит для мельниц, элементов конструкций превмотранспорта, деталей насосов и др.
Жаростойкие чугуны – стойкие к окалинообразованию и росту, выпускают с пластинчатым и шаровидным графитом с добавками хрома, никеля и алюминия. Маркируют буквой Ж: ЖЧХ-0,8; ЖЧХ -1,5; ЖЧХ-2,5; ЖЧХ-30 и т.д.
Коррозионно –стойкие чугуны легируют хромом, никелем, медью, молибденом и кремнием. Эти чугуны стойки в щелочах - растворах соды, морской воде. Обозначаются: CЧЩ-1; СЧЩ-2 – применяют для изготовления котлов для плавки и д.т.
Чугуны ЧНХТ,ЧН1ХМД,ЧН1МI –применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок цилиндров, патрубков, поршней, гильз паровых машин, газокомпрессоров и других деталей.
Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они имеют пластинчатую или шаровидную форму графита. Марки чугунов: ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Х2Ш – применяют в нефтяной и химической промышленности, газотурбиностроении и т.д.
Антифрикционные чугуны маркируются буквой А, изготовляют на основе серых, ковких и высокопрочных чугунов. Они предназначены для работы в узлах трения в паре с закаленными, нормализованными или без термической обработки. Обозначаются:АСЧ1(с добавками хрома и никеля), АСЧ2 (с добавками хрома, никеля, титана и меди), АСЧ3 (с добавками титана и меди).
Ковкий антифрикционный чугун обозначается АКЧ1 (перлитный или перлитно - ферлитный), АКЧ2 (перлитно - ферлитный, ферритно-перлитный).
Высокопрочный антифрикционный чугун АВЧ-1, АВЧ-2.
СТАЛИ
Сталь – это сплав железа с углеродом, где углерода содержится до 2,14%
Рис. 2.9 Сталеплавильный цех
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, а также для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.