korotkih (Коротких М. Т. - Технология конструкционных материалов и материаловедение - учебное пособие.), страница 3

экскаватор3. Для каких изделий наиболее важна оптимизация формы корпуса, исходя извзаимодействия с окружающей средой:а). Подводная лодка, ракета, автомобильб). Самолет, токарный станок, кофемолкав). Корабль, экскаватор, эскалатор4. Детали какого устройства выполняются с большей точностью:а). Телескопб). Токарный станокв). Двигатель автомобиля5. Какие величины шероховатости поверхности могут быть полученыобработкой резанием:а).

Ra = 1,25…20мкмб). Ra = 0.16…80мкм2. Машиностроительные материалыТехнический уровень машин, аппаратов, приборов во многом определяетсясвойствами материалов, из которых изготовлены их отдельные элементы –детали. Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбороптимального материала для тех или иных условий применения может бытьдостаточно сложной задачей.Например, мост можно построить из низкоуглеродистой сталиобыкновенного качества, из высоколегированной сверхпрочной стали, изнержавеющей стали, из алюминиевого сплава и т.д. В различных вариантах,он будет иметь разный срок службы, стоимость изготовления, стоимостьобслуживания. В настоящее время, применяют стали обыкновенного качества,что определяется именно экономическими преимуществами.В то же время существуют технические объекты, создание которых было быневозможно без разработки специальных материалов, альтернативы которымможет и не существовать и, приходится мириться с их, иногда, дажечрезвычайно высокой стоимостью.

Это материалы космической техники(например, керамика ракетных сопел и газовых рулей), атомнойпромышленности (например, циркониевые оболочки тепловыделяющихэлементов атомных реакторов, гадолиниевые экраны нейтронной защиты ит.д.).И даже в этих областях техники ведется поиск новых альтернативныхматериалов, повышающих как технические характеристики объекта, так и егоэкономическую эффективность.2.1 Сплавы на основе железа2.1.1 Сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода до2,14%. Кроме того, в состав стали обычно входят марганец, кремний, сера ифосфор, которые попадают в сталь из руды или кокса; некоторые элементымогут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально(легирующие элементы).Классификация сталейТаблица 1По химическому составуПоПо содержаниюсодержаниюлегирующихуглеродаэлементовМалоуглероди Низколегированные,стые С <0,25% легирующихэлементов < 2,5%СреднеуглеродСреднелегированные,истыеC0,25…0,6%легирующихэлементов 2,5…10%ВысокоуглеродистыеC >0,6%Высоколегированные,легирующихэлементов > 10%По назначениюКонструкционные –для строительныхэлементов и деталеймашин и приборов,инструментальные –для изготовлениярежущегоинструмента,штампов и т.д., сособымифизическимисвойствамиПо качеству(по содержаниюсеры (S) ифосфора (P)ОбыкновенногокачестваS<0,06% ,P<0,07%КачественныеS<0,035% ,P<0,035%ВысококачественныеS<0,025% ,P<0,025%Особовысоко-По степени раскисленияСпокойные (при варкеполностьюраскисленные), в концемаркировки «сп»,Полуспокойные – «пс»,Кипяшие – «кп».(магнитные,электротехнические ит.д.), с особымихимическимисвойствами(нержавеющие,жаростойкие и т.д.)качественныеS<0,015% ,P<0,025%Углеродистые конструкционные стали подразделяются на сталиобыкновенного качества и качественные.Стали обыкновенного качества (ГОСТ380-94) изготавливают следующихмарок Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода,например, Ст4 - углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%).Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые.

Сталиотливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержатсравнительно большое количество неметаллических включений.С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности(σв) и текучести (σ0.2) и снижается пластичность (δ,ψ). Например, Ст3сп имеетσв=380÷490МПа, σ0.2=210÷250МПа, δ=25÷22%.Из сталей обыкновенного качества изготовляют прокат: балки, швеллеры,уголки, прутки, а также листы, трубы. Эти стали широко применяют в строительстведля сварных конструкций.С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается.Поэтому стали Ст5 и Ст6, с более высоким содержанием углерода, применяют дляэлементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.Качественные углеродистые стали (ГОСТ1050-88) маркируют цифрами 08,10, 15,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых доляхпроцента.Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают низкойпрочностью и высокой пластичностью.

σв=330÷340МПа, σ0.2=230÷280МПа,δ=33÷31%. Высокая пластичность этих сталей позволяет изготавливать изделияштамповкой вытяжкой (детали кузовов автомобилей, металлическая посуда и т.д.).Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей,ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемыхцементацией.Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют посленормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразныхдеталей во всех отраслях промышленности.

Эти стали, по сравнению снизкоуглеродистыми, имеют более высокую прочность при более низкойпластичности (σв=500÷600МПа, σ0.2=300÷360МПа,δ =21÷16%).Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладаютвысокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталейизготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки ит.д.Легированные конструкционные стали (ГОСТ4543-71) применяют в техслучаях, когда выигрыш от повышения нагрузочной способности детали машиныпревышает повышение стоимости материала.

Естественно, чем больше легирующихэлементов содержит сталь, чем они дороже, тем дороже и сама сталь.Поэтому наиболее широкое применение в строительстве получилинизколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали.Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами.Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержаниеуглерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующийэлемент.

Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится квысококачественным, на что указывает в конце марки буква ″А″.Причем для обозначения легирующих элементов в марках легированныхсталей приняты следующие условные сокращения:А – азотК – кобальт Т – титан Б – ниобий М – молибден Ф- ванадийВ – вольфрамН – никель Х – хром Г – марганецП – фосфор Ц – цирконийД – медь Р – борЮ – алюминийЕ – селен С – кремнийЧ – редкоземельные металлыЦифра после буквы , обозначающей легирующий элемент, указывает насодержание этого элемента в процентах.

Если цифры нет, то сталь содержит0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия(содержание которых в сталях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали сбуквой Р его должно быть не менее 0,001%).Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы (ГОСТ5632-72)Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигаетсявведением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е.элементов, образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al,Fe)2O3.Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталейпечей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) иаустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающиежаропрочностью.Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали устойчивы к электрохимическойкоррозии.Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышеннойпластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлическихпрессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действиеслабо агрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солейорганических кислот).Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин,хирургических инструментов и т.

д.Стали 15Х25Т и 15Х28 используют чаще без термической обработки дляизготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и неподвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже-20°С.Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы вокислительных средах (азотная кислота) и в бытовой технике (посуда).С целью экономии дорогой легированной стали применяется двухслойныйлистовой прокат, который состоит из основного слоя - низколегированной (09Г2,16ГС, 12ХМ, 10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого слоятолщиной 1-6мм из сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13.Инструментальные сталиУглеродистые стали (ГОСТ 1435-90).

Углеродистые инструментальные сталиУ7, У8, У10, У11,У12, У13 применяются обычно в закаленном состоянии .Стали можно использовать в качестве режущего инструмента только длярезания с малой скоростью, так как их высокая твердость (У10-У12 - 62-63HRC)сильно снижается при нагреве выше 190-200°С.Стали У10, У11, У12, У13 применяют для режущего инструмента (фрезы,зенкеры, сверла, шабера, напильники и т. д.).

Для деревообрабатывающегоинструмента применяют стали У7 и У8. Количество углерода в инструментальныхсталях указывается в десятых долях процента.Легированные инструментальные стали (ГОСТ5950-73) (11ХФ, 13Х, ХВСГ,9ХС, Х, В2Ф) пригодны для резания материалов невысокой прочности(σв=500÷600МПа) с небольшой скоростью (до 5-8м/мин). Их используют дляинструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250°С. Легированныестали по сравнению с углеродистыми обладают большей прокаливаемостью.Количество углерода также указывается в десятых долях процента, а если егооколо 1 %, то не указывается вовсе.Например, стали 11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф и т.д.(Сталь Х - 0.95-1% С, 0.15-0.4% Mn, 0.15-0.35% Si, 1.3-1.65% Cr, 64-65HRC).Эти стали чрезвычайно многообразны и представлены группами сталей,разработанными для специфических областей применения, например, стали дляштампов холодного деформирования (Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5В3МФС, 7ХГ2ВМ)должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью,сочетающейся с достаточной вязкостью.Стали для штампов горячего деформирования (5ХНМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ,4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ) должны иметь высокие механические свойства(прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью,окалиностойкостью, разгаростойкостью и иметь высокую теплопроводность.) Эти стали обладают термостойкостью вБыстрорежущие стали (ГОСТусловиях резания до 650°С.

Основным легирующими элементами этих сталей являютсявольфрам, молибден, кобальт и ванадий.Быстрорежущие стали обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает напроцентное содержание вольфрама: (Р18, Р6М5, Р6М5К5, Р9К5, Р18К8М5Ф2 и т.д.)Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобальта.Пример: Сталь Р18 - 0.7-0.8% С, 3.8-4.4% Cr, 17.5-19% W, 1-1.4% V, 0.5-1% Mo.Из этих сталей изготавливают сложный по форме инструмент для обработкиметаллов резанием: сверла, протяжки, фрезы и т.д. Из-за дороговизны этих сталей,которая объясняется высоким содержанием дорогого и дефицитного вольфрама, втаком инструменте только режущую часть изготавливают из этих сталей и крепят ее ккорпусу или хвостовику механически, сваркой, пайкой и т.д.2.1.2 ЧугунЧугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более2,14% углерода (но до 6,67%).