Материалы / Лекция 3_Материалы

Конструкционные материалы

Серые чугуны, ГОСТ 1412-85. Самые дешевые и доступные, имеют хорошие литейные свойства и обрабатываемость.

Основная особенность – наличие в структуре свободного углерода в виде достаточно крупных пластинок графита. Заготовки деталей из этого материала, как правило, получают отливкой, причем прочностные свойства чугуна с уменьшением скорости

охлаждения отливки (в деталях большой массы и с толстыми стенками) понижаются. Модуль упругости материала составляет Е=(0,6...1,2) 105 МПа, плотность ρ =6,8...7,2 г/см3.

Серые чугуны маркируются буквами СЧ и двумя цифрами, показывающими среднюю величину предела прочности на растяжение в кГс (МПа 10) – от СЧ00 (в этой марке прочность не регламентирована) до СЧ45. Так, предел прочности СЧ15 равен σВ

≈150 МПа. С ростом прочности, т.е. значащих цифр, твердость чугуна также возрастает приблизительно с 160НВ до 260НВ, но литейные свойства ухудшаются.

Потери на внутреннее трение у серых чугунов по сравнению с остальными марками чугунов – наибольшие. А наличие графитовых включений придает серому чугуну антифрикционные свойства.

С целью повышения прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, снятия внутренних напряжений и других свойств серые чугуны модифицируют (легируют), т.е. добавляют в жидкий чугун небольшое количество присадок.

Конструкционные материалы

Высокопрочные чугуны, ГОСТ 7293-85.

Получают легированием магнием или добавлением других специальных присадок и/или дополнительной термообработкой. Магний играет роль модификатора, то есть обеспечивает графитным включениям форму, близкую к шаровидной, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам углеродистых сталей, но литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов). Чугуны хорошо обрабатываются и упрочняются. Модуль упругости составляет Е=(1,6...1,9) 105 МПа, твердость – 150НВ...360НВ, удельная ударная вязкость (при температуре 200С) а kcu – до 0,6 Мдж/м2.

Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и числом, соответствующим среднему значению предела прочности на растяжение в кГс (МПа 10), например, ВЧ50. Основные марки чугунов лежат в пределах от ВЧ38 до ВЧ120.

Конструкционные материалы

Ковкие чугуны, ГОСТ1215-79. Очень трудоемки в изготовлении, но по сравнению с серыми чугунами имеют повышенные прочность, износостойкость и пластичность. Форма графитовых включений – хлопьевидная. Запаса пластичности недостаточно для обработки ковкого чугуна давлением и заготовку также получают отливкой.

Модуль упругости чугуна Е=(1,6...1,9) 105 МПа, твердость – 100...250НВ.

Ковкий чугун маркируются буквами КЧ, двумя цифрами, соответствующих среднему значению предела прочности на растяжение в кГс (МПа 10), и числом,

показывающим относительное удлинение δ . Например, КЧ45-6, его характеристики

– σв ≈ 450 МПа и δ = 6%.

Конструкционные материалы

Жаростойкие чугуны, ГОСТ 7769-82. Получают легированием и специальной термообработкой. Сохраняют хорошие механические свойства и сопротивление окислению при температурах 500...1100 С. Обозначаются первыми буквами названия ЖЧ и видом и процентным содержанием легирующих добавок (обозначение добавок: С – кремний, Х – хром, Ю – алюминий, а буква Ш указывает на шаровидную форму графита, повышающую его прочность). Например, ЖЧЮ2ХШ, что означает – чугун жаростойкий, содержащий 2% алюминия, менее 1% хрома (в этом случае число процентного содержания отсутствует), графит шаровидной формы.

Антифрикционные чугуны, ГОСТ 1585-85. Получают в результате целенаправленной модификации серого, ковкого или высокопрочного чугунов. Дешевле многих металлических антифрикционных материалов, но требуют повышенной точности монтажа опорного узла и обильной смазки, не допускают больших скоростей скольжения. Обозначаются первыми буквами названия и порядковым номером в установленном ГОСТом перечне марок. Например, АЧС-1 – антифрикционный серый чугун, АЧВ-2 – антифрикционный высокопрочный чугун.

Конструкционные материалы

Стали

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Введение легирующи добавок повышает стоимость сталей, но и улучшает механические, физические и химические свойства, что в итоге обеспечивает экономическую эффективность их применения в изделии. Стоит отметить, что модуль упругости у разных сталей практически одинаков и равен Е=(1,95...2,1) 105 МП плотность ρ ≈7,8 г/см3.

Общей для всех типов сталей является зависимость и механических свойств от содержания углерода: чем

больше в стали углерода, тем сталь более прочная, твердая, но одновременно более хрупкая.

Углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные конструкционные и инструментальные.

Отдельно, по технологическим свойствам также выделяют

стали литейные (в конце обозначения ставится буква Л),

автоматные и высококачественные (в конце обозначения ставится буква А).

Конструкционные материалы

Стали обыкновенного качества, ГОСТ 380-88. Это – наиболее

дешевые стали, очень пластичные, хорошо свариваемые, но не подвергающиеся термообработке (в основном, из-за нестабильности химического состава), имеют невысокую прочность. Стали, в основном, поставляются в виде проката. Удельная

ударная вязкость (при температуре 200С) аkcu – до 1,0 Мдж/м2.

Стали этой марки обозначаются буквами Ст и номером в порядке возрастания прочности (от 0 до 6).

Начиная с 4, номер уже соответствует среднему значению предела прочности в МПа, деленному на 100. С ростом номера марки пластичность падает. Стали поставляются трех видов:

группа А, с гарантированными механическими свойствами;

группа Б, с гарантированным химическим составом. В этом случае в начало обозначения марки добавляется буква, указывающая на способ производства: М – мартеновский, К – конверторный. Например, МСт3, Кст4;

группа В, с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В обозначении этих сталей добавляется буква В, например, Вст3.

В обозначении также могут присутствовать буквы, характеризующие особенности производства: кп – сталь кипящая, не подвергнутая раскислению (наиболее дешевая, менее качественная), пс – полуспокойная, сп – спокойная, – и порядковый номер категории. Например, Ст3кп (первая категория не указывается), Ст3кп2.

Конструкционные материалы

Стали качественные конструкционные, ГОСТ 1050-88. Обладают

более высокими механическими характеристиками, допускают термическую и химико-

термическую обработку. Стали маркируют двузначным числом (от 08 до 85), соответствующим среднему содержанию углерода в сотых

долях процента. В ряде высокоуглеродистых сталей в обозначение входит буква Г указывающая на содержание около 1% марганца. Примеры маркировок – сталь 08, сталь 45, сталь 65, сталь 65Г, сталь 20А (сталь высококачественная). Марганцовистые стали имеют повышенную прочность и износостойкость.

Прочность и твердость сталей зависят от марки и способа упрочнения. В состоянии поставки (обычно, это – отожженные или нормализованные стали) по мере возрастани доли углерода твердость повышается от 130НВ до 300НВ, увеличивается и прочность. Удельная ударная вязкость (при температуре 200С) а kcu – до 0,6 Мдж/м2.

Конструкционные материалы

Литейные стали, ГОСТ 977-88. По составу соответствуют качественным конструкционным сталям, но имеют повышенные литейные свойства и предназначаются для получения заготовок

литьем. Их механические характеристики несколько хуже, сложнее они и в обработке. В конце обозначения таких сталей указывается буква Л, например,

сталь 35Л.

Автоматные стали, ГОСТ 1414-75. Обладают повышенной обрабатываемостью резанием, обеспечивают хорошее качество

поверхности. Стали допускают термообработку, но плохо свариваются, имеют пониженные механические свойства, склонны к коррозии. Обозначение таких

сталей начинается с буквы А. Например, А12.

Конструкционные материалы

Легированные стали, ГОСТ 4543-71. Введение легирующих элементов производят с целью улучшения или получения новых свойств, таких как прочность, коррозионная стойкость, износостойкость, жаропрочность, намагничиваемость, термостабильность и т.д. Удельная ударная вязкость (при

температуре 200С) а kcu – до 2,0 Мдж/м2. Эффективность применения легированных сталей возрастает при использовании их в сочетании с термообработкой (для повышения механических характеристик).

В соответствии со стандартом в обозначении легированных сталей справа дополнительно приводится набор букв и чисел. Буквы указывают на название

легирующего элемента:

А (но если не крайняя справа или слева) – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный металл, Ю – алюминий.

Цифры после буквы показывают примерное процентное содержание данного легирующего элемента. Если же содержание менее 1% , то число отсутствует. Например, стали 40Х (содержание углерода 0,4%, хрома 1%),

Сталь 30ХН2ВФ (содержание углерода 0.3%, хрома 1%, никеля 2%, вольфрам 1%, ванадий 1%).

Возможны отступления в точности соблюдения маркировки.

Конструкционные материалы

Некоторые легированные стали, как и стали качественные конструкционные, выделены в особые группы:

литейные легированные стали.

В конце марки справа ставится буква Л, например, 40ХЛ;

высококачественные стали.

В конце марки справа ставится буква А, например, 20ХГСА;

шарикоподшипниковые, особовысококачественные стали. В начале

марки слева ставится буква Ш. Содержание легирующего элемента здесь приводится в десятых долях процента. Например, ШХ15 (содержание хрома порядка

1,5%);

автоматные стали.

В начале марки слева ставится буква А, например, А40Г;

магнитные высококоэрцитивные стали.

В начале марки слева ставится буква Е и т.д.

Легированные стали сложнее обрабатываются, хуже свариваются. Их стоимость выше и зависит от содержания, вида и числа легирующих элементов.

По количеству добавок стали подразделяют на низколегированные (суммарное содержание легирующих добавок до 2,5%), среднелегированные и высоколегированные (суммарное содержание легирующих добавок свыше 10%). Низколегированные стали более доступны и относительно дешевые, позволяют получить достаточно высокие механические характеристики.