Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 4

Материалы на основе магния, алюминия и титана, имеющие малуюудельную плотность (ρ < 5 г/cм³), принято называть легкимицветными сплавами. Материалы на основе титана, ниобия, циркония, молибдена, вольфрама называют тугоплавкими цветнымисплавами.Из многообразия материалов наиболее широкое применениенашли сплавы на основе железа – стали. Они обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств. По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и сплавы с особыми физическими свойствами.Конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей машин, приборов, металлоконструкций и сооружений, классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.По химическому составу конструкционные стали подразделяют на углеродистые и легированные.

На долю углеродистыхсталей, которые содержат до 0,75 % С, приходится 80 % от общего объема выплавляемой стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали сочетают удовлетворительные механическиесвойства с хорошей деформируемостью и обрабатываемостьюрежущим инструментом. Легированные стали получили широкое применение в строительстве (низколегированные) и в машиностроении (легированные). Легирующие элементы вводят сцелью повышения конструкционной прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии – после закалки и отпуска.

В отожженном состояниилегированные стали по механическим свойства практически неотличаются от углеродистых. Для легирования обычно используют молибден, марганец, хром, кремний, никель и ванадий.Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов более 10 % (высоколегированные), как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.).По качеству сплавы классифицируют на стали обыкновенного качества (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6), качественные стали (08,10, 15, ..., 60, 30Х, 40ХН, 30ХГС и др.), высококачественные(30ХНЗА, 40ХФА, 40ХН2МА, 12Х18Н10Т и др.), особовысококачественные (ШХ15Ш, 30ХГСА-Ш и др.). Стали обыкновенно16го качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные – неболее 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные – не более0,025 % S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более0,015 % S и 0,025 % Р.По степени раскисления стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали (Ст1сп,Ст2сп, ...

Ст6сп; 08, 10, ..., 60 и др.) раскисляют марганцем,кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали (Ст1кп,Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп; 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп) раскисляюттолько марганцем и производят низкоуглеродистыми (≤ 0,2 % С) сповышенным количеством газообразующих примесей. Полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс, ..., Ст6пс; 08пс, 10пс, 15пс,20пс) по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянииконструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов,легированные – всех классов.По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали разделяют на стали нормальной (средней) прочности (σв < 1000 МПа), повышенной прочности (σв < 1500 МПа) и высокопрочные (σв > 1500 МПа).По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталеймашин и механизмов, и строительные – для металлоконструкций исооружений.Инструментальные стали предназначены для изготовлениярежущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов.По химическому составу эти стали подразделяют на углеродистыеи легированные.Углеродистые стали по качеству классифицируют на качественные (У7, У8, У9, ..., У13) и высококачественные (У7А, У8А,У9А, ..., У13А).

По структуре стали У10, У11,У12, У13 – заэвтектоидные.Низколегированные стали по структуре относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса, в которых хром – постоянный17элемент (ХВ4, 2ХС, ХВГ, ХВСГ). Высоколегированные стали поназначению подразделяют на быстрорежущие и стали, используемые для изготовления штампов.В быстрорежущих сталях (Р18, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ и др.) основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден и ванадий, процентное содержание которых указываетсяпосле соответствующих букв. Для изготовления штампов применяют стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом,ванадием, кремнием (X12, Х12М, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНВ,3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС и др.).Сплавы для контрольно-измерительных инструментов (калибров, шаблонов, скоб, линеек и др.) должны обладать высокойтвердостью, износостойкостью, поэтому обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X, 12Х, 15Х и др.К сталям с особыми свойствами относят сплавы, для которых механические свойства, как правило, не имеют первостепенного значения.

Основным предъявляемым к этим сталям требованием является обеспечение определенного уровня физическихсвойств. Многие из этих сплавов высоколегированные, отличающиеся высокой точностью химического состава.По назначению сплавы с особыми свойствами могут быть подразделены на магнитные, аморфные (металлические стекла), сталис высоким электрическим сопротивлением для нагревательныхэлементов, сплавы с заданным температурным коэффициентомлинейного расширения, с эффектом «памяти формы», жаростойкие, коррозионно-стойкие и др.2.2. Факторы, влияющие на свойства металлов и сплавовВыбор марки материала в процессе проектирования изделийосуществляют на основе рассмотрения комплекса свойств, которые необходимы на этапах изготовления, эксплуатации и восстановления деталей.К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициент температурногорасширения, электросопротивление и теплопроводность.

Химическими свойствами являются способность к химическомувзаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К основным механическим свойствам относятпрочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и ползучесть. Технологическими свойствами18металлов и сплавов являются деформируемость, литейные свойства, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. К эксплуатационным свойствам в зависимости от условийработы изделия относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и др.Физико-химические и механические свойства материалов зависят от строения атомов, атомно-кристаллической структуры, химического состава, микро- и макроструктуры.Известно, что все материалы состоят из атомов, которые, всвою очередь, представляют собой композицию протонов, нейтронов и электронов.

Атомы в материалах связаны между собой различными типами связей (ионной, ковалентной, металлической).Наиболее важным типом связи в машиностроительных материалахявляется металлический, который характерен для чистых металлови их сплавов.Атомы в кристаллических структурах расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки, которые представляют собой наименьший объем кристалла, дающего полноепредставление об атомно-кристаллической структуре материалаи называемого элементарной ячейкой.

Большинство материалов,используемых в технике, и все металлы, как правило, имеют кристаллическую структуру.Кристаллические решетки, образуемые металлами, называютметаллическими. В узлах этих решеток находятся положительные ионы металлов, а валентные электроны могут передвигатьсямежду ними в различных направлениях. Такое строение решеткиобусловливает высокую электрическую проводимость, теплопроводность и пластичность металлов. При упругопластическом деформировании не происходит разрыва связи и разрушения кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы «плавают» воблаке электронного газа.Математически доказано, что можно получить 14 различныхвариантов кристаллических решеток. Многие металлы имеютсравнительно простые кристаллические решетки, такие как объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированнаякубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) –рис.

2.1.Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерностьсвойств по направлениям, определяемая различными расстояния19ми между атомами в кристаллической решетке. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства,как поверхностное натяжение, адсорбционная способность и химическая активность, существенно отличаются у различныхграней кристаллов.абвРис. 2.1. Кристаллические решетки металлов:а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУС повышением температуры или давления параметры решетки могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению свойств.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток прикритических температурах называется полиморфными превращениями.Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материалов.