2. Критерии использования конструкционных материалов.

Ответственным моментом в процессе конструирования и изготовления любой машины, агрегата и детали является выбор материалов. Он должен производиться с полным знанием свойств различных материалов и требо­ваний, предъявляемых к ним условиях работы и изготовления данной дета­ли.

Выбранный материал должен отвечать следующим требованиям:

1. Эксплуатационные - удовлетворять условиям работы детали в маши­ не;

2. Технологические удовлетворять требованиям минимальной трудо­ емкости изготовления;

3. Экономические выгодным с учетом всех затрат, включающих стоимость материала, изготовление детали, а также затраты, связанные с эксплуатацией машин, для которых они предназначены.

Обоснованный выбор материала с полным учетом этих требова­ний представляет сложную технико-экономическую задачу. В общем слу­чае правильный выбор материала может быть сделан только на основе со­поставления нескольких вариантов. Часто используют показатель включающий совокупность нескольких свойств. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации, называется конст­рукционной прочностью.

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включаю­щая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. Крите­рии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках пользуются характеристиками – у_Т, НВ.у_Т -характеризует сопротивление пластической деформации. Обычно пластическая деформация при работе детали не допустима и приводит к разрушению. НВ - для приближенной оценки статической прочности. Для стали справедливо соотношение у_В =НВ/3 . При циклических нагрузках критерий прочности у_R - предел вынос­ливости. Надежность - сопротивление материала хрупкому разрушению. Крите­риями определяющими надежность являются температурные пороги хлад­ноломкости - трещиностойкости (К_IC). Долговечность - способность детали сохранять работоспособность в течение заданного времени. Критерии определяющие долговечность - уста­лостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность и др., в зависимости от характера условий работы детали.

3. Материалы с повышенной и высокой прочностью.

Значительную группу машиностроительных материалов, для изготов­ления ответственных тяжело нагруженных изделий, представляют конст­рукционные стали. К конструкционным сталям предъявляются следующие требования: высокая прочность, достаточная вязкость, хорошие технологи­ческие свойства, экономичность, не дефицитность.

Конструкционные стали подразделяются:

1. углеродистые стали обыкновенного качества.

2. качественные углеродистые стали.

3. низколегированные конструкционные стали,

4. среднелегированные стали,

5. высоколегированные стали.

Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые стали составляют 80% общего объема продукции черной металлургии и применяются для изготовления различных металлоконст­рукций и изделий машиностроения. Это объясняется тем, что они дешевы и имеют удовлетворительные свойства с хорошей обрабатываемостью реза­нием и давлением. Недостатки углеродистых сталей в том, что они имеют высокую критическую скорость закалки, это вызывает значительные де­формации и коробление. Они имеют небольшую прокаливаемость (12 мм), что ограничивает размер изготавливаемой детали.

1. Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые, в них допускается повышенное содержание вредных примесей и газов. Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, утолки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок. Применение этих сталей зависит от группы к которой они относятся:

2. Углеродистые качественные стали от сталей обыкновенного качества отличаются более низким содержанием вредных примесей и неметалличе­ ских включений.

Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов без термической обработки (горячекатанные, кованные), термически обра­ботанными и нагартованными с гарантированными механическими свойст­вами и химическим составом.

Углеродистые стали имеют разнообразное применение, благодаря раз­личным механическим свойствам зависящих от содержания углерода и термической обработки.

3) Низколегированные конструкционные стали. Низколегированная сталь является переходной между углеродистыми и

легированными сталями. Низколегированные стали содержат до 0,2 % С и до 2-3 % недефицитных легирующих элементов. Микролегирование, незна­чительно удорожая сталь, повышают ее прочность, хладостойкость, корро-зионностойкость и износостойкость по сравнению с углеродистыми сталя­ми, сохраняя ее пластичные свойства и свариваемость.

Принято выделять следующие группы низколегированных сталей:

1. Марганцовистые и марганцовокремнистые. Эти стали ненамного до­ роже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс ме­ ханических свойств, повышенную хладостойкость, лучшую свариваемость. повышенную износостойкость, и коррозионную стойкость.

Эти стали применяются в судостроении, химической промышленности, вагоностроении, мостостроении, их механические свойства можно улуч­шить с помощью термической обработки, которую проводят после нагрева под прокатку.

2. Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. Добав­ ление в низкоуглеродистую марганцовистую сталь 0,015-0,025% Ni, 0,1- 0,2% V и иногда Ti и А1 создает предпосылки для выделения дисперсных карбонитридов ванадия и титана или нитридов алюминия. Дисперсные карбиды способствуют измельчению зерна, тормозят движение дислокаций. В совокупности эти факторы благоприятно влияют на прочность, вязкость и хладостойкость.

4) Высокопрочные среднелегированные стали

К среднелегированным сталям относятся стали содержащие 2,5-10% легирующих элементов 30ХГСН2А, 40ХСН2МА, 25Х2ГНТА.

Для достижения высокой прочности среднелегированные стали подвер­гают обычной закалке на мартенсит и низкому отпуску 220-250 ^СС, который улучшает пластичность, вязкость при сохранении высокого уровня прочно­сти. Стали хорошо деформируются в горячем состоянии, свариваются дуго­вой сваркой, хорошо обрабатываются резанием в отожженном состоянии.

Поставляются в виде поковок, листов, труб, прутов, профилей. Приме­нение: высоконагруженные детали: цилиндры, балки, шпильки, оси.

5) Высокопрочные высоколегированные стали (мартенситно- стареющие)

Высокопрочными сплавами принято считать сплавы имеющие предел прочности у_B > 1800-2000 МПа при удовлетворительной пластичности и вязкости. Мартенситно-стареющие стали - это безуглеродные ( <0,03 С) сплавы легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и др. элементами.

Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел теку­чести, низкий порог хладноломкости. Применение: для наиболее ответст­венных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении (корпуса под­водных лодок, гребные винты).

4. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием.

Обрабатываемость оценивается несколькими показателями, главный -интенсивность изнашивания режущего инструмента, дополнительные -чистота поверхности резания, форма стружки, легкость ее отвода. Обрабатываемость зависит от следующих факторов:

1. Механические свойства. Обрабатываемость уменьшается с увеличе­ нием твердости и прочности, так как увеличиваются усилия резания, темпе­ ратура нагрева инструмента, вызывающая разупрочнение режущей кромки и снижение стойкости. Но обработка слишком пластичных материалов тоже затруднена из-за:

• образования сплошной трудноломающейся стружки, которая скользя по поверхности нагревает инструмент и интенсивно изнашивает его.

• налипания металла на инструмент и образования нароста, ухудшаю­ щего шероховатость поверхности, способствующего в образовании зади- ров.

2. Теплопроводность. Обрабатываемость уменьшается с понижением теплопроводности металла.

3. Микроструктура металла. Изменяя микроструктуру металла различ­ ными технологическими приемами можно повысить обрабатываемость. К таким приемам относят термическую обработку и наклеп.

4. Химический состав. Самые эффективные металлургические способы, предусматривающие введение различных добавок, изменяющих химиче­ ский состав и количество неметаллических включений. Добавки создают «внутреннюю смазку», которая в зоне резания снижает трение между стружкой и инструментом, и облегчает ее измельчение. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием называют автомат­ными. Различают следующие группы автоматных сталей:

1) Автоматные сернистые стали. All, А12, А20, АЗО, А35, А40Г - это углеродистые стали с содержани­ем S = О.О8-О.З0% и P= 0,05-0,15% . Чтобы не проявлялась краснолом­кость в них увеличено количество марганца (0,7 - 1,55 %). Сера образует сульфиды марганца, которые играют роль смазки и повышают хрупкость феррита. При хорошей обрабатываемости эти стали имеют низкое качество -низкие механические свойства и низкая коррозионная стойкость, поэтому их не применяют для ответственных деталей. Из таких сталей изготавливают - крепежные детали, малонагруженные детали сплошной формы к которым предъявляются требования высокой точности и чистоты поверхности.

2) Автоматные свинцовосодержащие стали (0,15 - 0,35 % РЬ). Они подразделяются на углеродистые с повышенным содержанием се­ры (АС14, АС40, АС35Г2, АС40Г2), легированные низкоуглеродистые (АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ) и легированные среднеуглеродистые (АС30ХН, АС38ХГМ, АС40ХГНМ).

По обрабатываемости они превосходят сернистые.Свинец находится в сталививиде дисперсных частиц, которые помога­ют измельчать стружку. При нагреве свинец плавится, растекается по по­верхности, снижая трение между инструментом и деталью. Введение свинца повышает скорость резания на 30 - 40 % без снижения стойкости инструмента или при той же скорости резания увеличивает стой­кость в 2 - 7 раз.Свинец не ухудшает механические свойства. Эти стали применяются для изготовления многихдеталей двигателей на автозаводах.

3) Автоматные селеносодержащие стали. Они подразделяются на угле­ родистые (А35Е, А45Е) и хромистые (А40ХЕ). Они содержат Se = 0,04-0,10% и S = 0,06-0,12% .Обрабатываемость повышается за счет образования селенидов и суль-фоселенидов, которые обвалакивают твердые оксидные влюченияи, тем самым устраняют их истирающее действие.