Конструкционные материалы

При изготовлении деталей и механизмов необходимого качества нужно при выборе материала учитывать следующие требования:

1. Эксплуатационные – определяются условиями работы детали в механизме, при этом учитываются следующие свойства материала:

   1. Прочность (способность материала к сопротивлению разрушениям или появлению остаточных деформаций, характеризующаяся пределом прочности σ_u, пределом текучести σ_y, условным пределом текучести σ_0,2, пределом выносливости σ_R, твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRC_э)

   2. Износостойкость (способность материала сопротивляться износу, характеризуется твердостью НВ, HRC_э или допустимым удельным давлением q_adm)

   3. Жесткость (способность материала сопротивляться упругим деформациям, характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е, при кручении – модулем упругости G)

   4. Упругость (характеризуется пределом упругости σ_e и модулем упругости Е)

   5. Антифрикционность (характеризуется коэффициентом трения скольжения f)

   6. Плотность

   7. Удельные характеристики: электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, жаропрочность и др.

2) Технологические требования – определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами.

а. При изготовлении методами обработки давлением (штамповка, прессование и др.):пластичность (свойство получать без разрушения значительные остаточные деформации).

б) При изготовлении литьем – легкоплавкость и жидкотекучесть (заполняемость без пустот узких полостей различных форм).

в) При изготовлении методами механической обработки – обрабатываемость резанием.

г) Термообрабатываемость – способность материала изменять механические свойства при термической и термохимической обработках.

д) Свариваемость ­– способность материала образовывать прочные соединения при сварке.

3) Экономические требования (определяются стоимостью и дефицитностью).

При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы, и неметаллические материалы.

Сплавы - это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

3.1 Сплавы на основе железа. Чугуны. Стали. Классификация сталей, марки сталей. Применение в механических устройствах (валы, зубчатые колеса, крепеж).

Рассмотрим сплавы на основе железа, а именно чугуны и стали.

Чугуны.

Черный металл, содержащий свыше 2,14% углерода, представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Также существуют чугуны в зависимости от назначения: конструкционные, и со специальными свойствами; от химического состава: легированные и нелегированные.

Наиболее распространены в применении серые чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии, в виде включений графита пластинчатой формы в связи с тем, что они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), также они малочувствительны к концентрации переменных напряжений и антифрикционны.

Существует такая разновидность чугуна, как белый чугун: в них избыточный углерод не растворившийся в твердом растворе железа присутствует в виде карбидов железа. Как следствие, высокая хрупкость данного материала, твердость, плохая обрабатываемость резанием и не применение их в качестве конструкционного материала.

Из белого чугуна получают ковкий чугун путем последующего отжига, до распада графита в виде хлопьев. Детали из данного материла могут подвергаться незначительным деформациям, обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоимость их на 30—100% выше.

Чугун высокопрочный характеризуют шаровидной или близкой к нему формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Этот вид чугуна обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения характеристик чугунов, а именно прочностных, а также получения таких особых эксплуатационных свойств как износостойкость, немагнитность, коррозионная стойкость и др. в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, алюминий, титан и др.). Ими могут служить марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Марки чугуна различают следующие:

СЧ – серый чугун;

ВЧ – высокопрочный чугун;

КЧ – ковкий чугун;

В случае антифрикционных чугунов в начале марке указывается буква А (АСЧ, ФВЧ).

Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства:

Для серых чугунов: указывается величина предела прочности (кгс/мм²) при растяжении (СЧ18).

Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм²) и относительное удлинение при растяжении в процентах (ВЧ60-2).

Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Стали.

Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами, с содержанием углерода до 2,14%.

Рассмотрим классификацию сталей:

1) По химическому составу:

а) углеродистые – содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний (до 0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор (снижающие механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии, а фосфор при пониженных температурах). Различают:

– низкоуглеродистые (С ≤ 0,25%)

– среднеуглеродистые (0,25 < С ≤ 0,6%)

– высокоуглеродистые (C > 0,6%)

б) легированные – помимо указанных компонентов входят легирующие элементы с целью улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особый свойств – хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, марганец (более 1%), кремний (более 0,8%).

2) По назначению:

а) конструкционные – наиболее широко используемые:

– углеродистые (С ≤ 0,7%)

– легированные

б) инструментальные – для изготовления ударно-штампового, режущего, мерительного инструментов:

– углеродистые (С ≥ 0,8 … 1,3%)

– легированные хромом, марганцем, кремнием и др.

в) с особыми свойствами – нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

3) По качеству стали (различают по количеству вредных – сера и фосфор – примесей):

а) обыкновенные – содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%

б) качественные – каждого элемента не более 0,035%

в) высококачественные и особо высококачественные – не более 0,025%

4) По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления (чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее затвердевает сталь, т.е. меньше выделяются пузырьки окиси углерода («кипение»)):

а) спокойная

б) полуспокойная

в) кипящая

Маркировка сталей:

– углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6 (Ст0 — Ст6). Цифры являются условным номером марки в зависимости от химического состава и механических свойств (чем выше число, тем выше прочность и ниже пластичность за счет большего содержания углерода в стали). Данные стали делятся на три группы: А (гарантированные механические свойства, не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается), Б (гарантируется химический состав), В (химический состав и механические свойства).

Обозначение степени раскисления обозначается индексами, которые указываются справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (Ст2кп, БСт3пс).

– углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), которые показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Их разделяют на несколько групп:

стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются.

низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью.

среднеуглеродистые стали 30, 25, 40, 45, 50 получили наибольшее распространение, за счет хороших прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Прочность и твердость можно повысить термической обработкой.

высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругостью (используются для изготовления пружин). Прочность и твердость можно повысить термической обработкой.

– углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, цифрами которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента (У9 – содержит в среднем 9% углерода).

– легированные стали – в состав которых для придания им специальных свойств входят легирующие элементы (марганец повышает прочность и износостойкость, кремний – увеличивает упругие характеристики, хром – коррозионную стойкость, никель – снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость, вольфрам и молибден - повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре).

Маркируются буквами и цифрами, которые указывают химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), для инструментальных и специальных сталей в десятых долях.

Далее следует обозначение буквами, указывающих какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, которые характеризуют среднее содержание легирующего элемента менее 1,5%. Введены следующие обозначения легирующих элементов:

Т – титан, С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам и т.п. (нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля, до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого; в сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%).

Некоторые обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали (Ш - шарикоподшипниковая (ШХ15 – с содержанием хрома ≈ 1,5%), Э – электротехническая и др.).

Сталь представляет собой наиболее распространенный конструкционный материал. Основным недостатком является большая плотность (как следствие – небольшая удельная прочность и удельная жесткость), можно назвать также малую коррозийную стойкость, а применение нержавеющих сталей достаточно дорого.

В производство стали поставляют как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равнобоких и неравнобоких уголков (рис.3.1 a и 3.1 б соответственно), двутавров (рис.3.1 в), швеллеров (рис.3.1 г) и других видов профилей разных размеров оговоренных стандартами.

а б в г

Рис.3.1

Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.