Конструкционные материалы+Передачи / Лекция 3_Конструкционные материалы+Передачи

Материалы составляют физическую основу любого изделия.

Естественно, что их описание обязательно присутствует в документации н проектируемую систему. Наиболее грамотно описание представлять в следующем виде указывается название (марка) материала и наименование документа, определяющего предельные значения физических, механических, химических и других характеристик состав, условия изготовления, контроля и т.д. Поскольку на практике материал часто поступает к потребителю в форме полуфабриката (проката, отливки), то такж необходимо приводить сведения о его состоянии и виде заготовки, указыват регламентирующие их документы.

Например, сталь 45 ГОСТ 1050-88. Здесь сталь 45 – номинальный параметр (наименование – сталь, марка – 45), ГОСТ 1050-88 – документ (в данном случае – стандарт), регламентирующий предельные отклонения свойств и характеристик.

Общая классификация конструкционных материалов

Чугуны, по сравнению со сталями, дешевле, имеют повышенные литейные свойства, но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью. Так, модуль упругости чугуна Е=(0,6...1,6) 105 МПа, что в 1,2...3 раза ниже, чем у сталей, и при этом не является константой. Потери на внутреннее трение (гистерезис) в 5...20 раз выше, чем у сталей, что обеспечивает эффективное гашение возникающей в деталях машин вибрации.

Главной особенностью внутреннего строения чугунов является наличие включений свободного углерода в виде графита. Фактически каждое такое включение нарушает сплошность металлической основы чугуна, то есть играет роль микротрещины. В связи с этим форма графитовых включений оказывает очень сильное влияние на свойства чугуна: если включения имеют форму пластинок, то есть являются плоскими трещинами с острыми краями, то металлическая основа оказывается сильно поврежденной, а чугун в целом имеет низкую прочность и является хрупким.

Если же форма включений близка к сферической, то они нарушают сплошность металла значительно меньше, поэтому и механические свойства такого чугуна заметно выше.

Присутствие в структуре чугуна графитных включений обеспечивает придание ему специфических свойств: нечувствительность к концентрации напряжений, устойчивость к коррозии в водной среде и на воздухе, высокие демпфирующие свойства, низкий коэффициент трения. В зависимости от внутреннего строения, состава и технологии получения чугуны подразделяются на серые, высокопрочные, ковкие, антифрикционные и жаростойкие.

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 σ в ≈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.

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.

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%.

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.

Стали

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Введение легирующих 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 МПа, плотность ρ ≈7,8 г/см3.

Общей для всех типов сталей является зависимость их 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).

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 номе категории. Например, Ст3кп (первая категория не указывается), Ст3кп2.

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 возрастания доли углерода твердость повышается от 130НВ до 300НВ, увеличивается и прочность. Удельная ударная вязкость (при температуре 200С) а kcu – до 0,6 Мдж/м2.

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.

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. Эффективност 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 легирующег элемента. Если же содержание менее 1% , то число отсутствует. Например, стали 40Х, 30ХН2ВФ. Возможны отступления в точности соблюдения маркировки.

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

литейные легированные стали.

Вконце марки справа ставится буква Л, например, 40ХЛ;

высококачественные стали.

Вконце 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.

Вначале марки слева ставится буква А, например, А40Г;

магнитные высококоэрцитивные стали.

Вначале 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. Выбор конкретной марки легированной стали следует проводить, ориентируясь на возможность достижения особых свойств, которыми должна обладать изготовленная из нее деталь, а также наличие соответствующих экономических и производственных ресурсов предприятия-изготовителя продукции. Некоторые сравнительные характеристики разных материалов приведены ниже.