Традиционные конструкционные материалы. Свойства и классификация конструкционных материалов

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Уральский государственный экономический университет

Кафедра инженерных дисциплин

Контрольная работа

«Свойства конструкционных материалов»

Исполнитель:

студентка I курса заочного факультета

специальности «ЭПП»

Добрынкина Л. В.

Екатеринбург 2009

Понятие конструкционных материалов

Классификация свойств конструкционных материалов

Процессы производства стали

Стеклокристаллические материалы (ситаллы)

Чугун. Классификация чугунов

Графитизация чугунов

Классификация серого чугуна

Маркировка чугуна

Библиографический список

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств.

Классификация свойств конструкционных материалов

1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.

· Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);

· Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);

· Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);

· Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);

· Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).

2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.

· Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны);

· Плотность (масса единицы объема вещества);

· Температура плавления;

· Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);

· Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);

· Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);

· Магнитные (способность материалахорошо намагничиваться);

· Коэффициент объемного и линейного расширения.

3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.

· Литейные свойства;

· Ковкость (важно при обработке давлением);

· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);

· Обработка резанием;

· Прокаливаемость;

· Закаливаемость.

4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.

5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.

· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);

· Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);

· Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов- химикостойкость ));

· Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).

СТАЛЬ

Сталь (польск.stal , от нем. Stahl ) - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад».

Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на малоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые; легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране - кислородно-конвертерного).

В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.

Кислородный конвертер (рис. 1) представляет собой сосуд 1 грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное. Кислород подается в него под давлением 0,8...1 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии 0,3...0,8 м.

Конвертеры изготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м 3 .

Материалами для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и стальной лом. Для наводки шлака в конвертер добавляют железную руду и известь, а для его разжижения - боксит и плавиковый шпат.

Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.

Изменение металла по ходу плавки показано (на рис. 2). При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Одновременно образуется активный шлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление серы и фосфора с образованием устойчивых соединений P2O5- ЗСаО и CaS в шлаке.

В момент, когда содержание углерода достигает заданного для выплавляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем - шлак.

Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертера раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si, Mn, A1). Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МпО, SiO2, А1203, переходящие в шлак.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400...500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электропечей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.

Рис.1 Схема кислородного конвертера

Рис.2 Схема изменения металла по ходу плавки

Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции за небольшой промежуток времени.

При конверторном способе производства, благодаря тому, что окисление фосфора и серы идет одновременно имеется возможность остановить процесс на заданном содержании углерода и получить довольно широкую гамму углеродистых сталей при низком содержании серы и фосфора.

Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.

Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360 о со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу

Рис. 3. Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма поворота

В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде.

Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О 2 . Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после начала продувки.

На процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение фурмы (расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление подаваемого кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 - 3,0 м, давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Последнее, в свою очередь, способствует повышению скорости окисления содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.

Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 - 24 минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500 о. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержания SiO 2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.

Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно низких температурах (1450 - 1500 о С и менее).

Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.

Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течение продувки.

С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс дефосфорации - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить < 0,02 % Р в готовой стали.

Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в том, что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака (> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.

По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания металла и шлака) выливают в ковш.

Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие добавки.

Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером.

Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей - металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из конвертера около 1600 о С.

Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество отходящих газов. Для использования тепла отходящих газов и отчистки их от пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка для очистки газов.

Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и количество чугуна, лома, извести), а также о показателях процесса (количество и состав кислорода, отходящих газов, температура и т. п.).

Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой.

В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность через днище без разрушения огнеупоров. В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.

Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений.

Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO 2 .

Преимущества процесса с донной продувкой состоят в повышении выхода годного металла на 1 - 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной замены мартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.

Конвертерный процесс с комбинированной продувкой.

Тщательный анализ преимуществ и недостатков способов выплавки стали в конвертерах с верхней и нижней продувкой привел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом и снизу - кислородом в защитной рубашке или аргоном (азотом). Использование конвертера с комбинированной продувкой по сравнению с продувкой только сверху позволяет повысить выход металла, увеличить долю лома, снизить расход ферросплавов, уменьшить расход кислорода, повысить качество стали за счет снижения содержания газов при продувке инертным газом в конце операции.

Стеклокристаллические материалы (ситаллы)

СИТАЛЛЫ (стеклокристаллические материалы), неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами (таблица 1). Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. XX века Материалы, подобные ситаллам за рубежом называют пирокера-мом, девитрокерамом, стеклокерамом.

Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. По своему назначению могут быть разделены на технические и строительные. Технические ситаллы получают на основе систем: Li 2 O--Al 2 O 3 -SiO 2 , MO-Al 2 O 3 -SiO 2 , Li 2 O-MO-Al 2 O 3 --SiO 2 , где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al 2 O 3 --SiO 2 -K 2 O-F; MO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 (где M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 и др. По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со специфическими электрическими свойствами.

Высокопрочные ситаллы получают главным образом на основе стекол систем MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 (кордиеритовые составы) и Na 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО 2 ; s изг для них 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях К имеют s изг 1370 МПа. Области применения высокопрочных ситаллов -ракето- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li 2 О - А1 2 О 3 - SiO 2 (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации -ТiO 2 . В оптически прозрачных ситаллах размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2) или сподумен (Li 2 О · Аl 2 О 4 ·4SiO 2), имеют, кроме того, температурные коэффициент. расширения, близкие к нулю, и иногда даже отрицательные- до -5·10 -6 К -1 . Области применения -космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяет применять их в солнечных батареях.

Износостойкие и химически стойкие ситаллы получают на основе стекол CaO-MgO-SiO 2 (пироксеновые составы); инициаторы кристаллизации- фторид или оксид хрома. Отличаются высокой износостойкостью (истираемость 0,001 г/см 2) и стойкостью в различных химических средах. Применяются в текстильной, химической, автомобильной промышленности, буровой и горнодобывающей технике.

Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 со светочувствительными добавками (соединения Аи, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).

Слюдоситаллы получают на основе стекол системы MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -K 2 O-F (фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают высокие механияеские и электрические. свойства с хорошей механической. обрабатываемостью- их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать. Применяются в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся трению и износу, а также в качестве материала для деталей сложной конфигурации.

Дифситаллы получают обычно на основе стекол системы СаО - MgO - SiO 2 - Р 2 О 5 (апатито- волластонитовые составы). Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.

Ситаллоцементы , получаемые на основе стекол системы PbO- ZnO- В 2 О 3 - SiO 2 , имеют очень низкий коэффициент теплового расширения (4-10) · 10 -6 К -1 ; применяются для спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок, герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллических индикаторов, в микроэлектронике. Перспективно также использование таких ситаллов в качестве стеклокристаллических покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность различных металлов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. Отличаются повышенной термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой механической и электрической прочностью. Применяются в качестве покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов, авиационных приборов, электронагревательных элементов.

Ситаллы со специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем ВаО-Аl 2 О 3 -SiO 2 -ТiO 2 и Nb 2 O 5 -CoO-Na 2 O--SiO 2 . Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью (e 240-1370) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрические, сегнетоэлектрические С. с различным сочетанием электрических свойств. Ситаллы на основе стекол системы MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 имеют очень низкий tg d (3 · 10 -4 при 25 °С и 10 4 МГц), ситаллы на основе метаниобата Рb- высокую диэлектрическую проницаемость (e 1000-2000). На основе стекол B 2 O 3 -BaO-Fe 2 O 3 получены С. с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500 им.

К группе строительных ситаллов относят шлако-, золо-, петроситаллы, получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород. В зависимости от химического состава используемых отходов, определяющих вид доминирующей кристаллической фазы, подразделяются на волластонитовые, пироксеновые (инициаторы кристаллизации-оксиды Cr, Ti, Fe, фториды), мелилитовые (система CaO-MgO-2Al 2 O 3 -SiO 2 , инициатор кристаллизации--оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые (система СаО - MgO - Fe 2 О 3 - Аl 2 р 3 - SiO 2), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO 2) и эгириновые (Na 2 O--Fe 2 O 3 -SiO 2) С. Они имеют высокие прочностные характеристики (s изг 100-180 МПа), высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05 г/см 2), высокую стойкость к хим. и термин, воздействиям. Применяются в строительстве, горнодобывающей, химической и др. отраслях промышленности.

Получают ситаллы и изделия из них главным образом с использованием стекольной и керамической технологии, иногда по химическому способу. Наиболее распространена так называемая стекольная технология, включающая варку стекла из шихты. формование изделий (прессование, прокатка, центробежное литье) и термическую обработку. Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения в стекольную массу специальных инициаторов- каталитических добавок - оксидов Ti, Сг, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие склонности стекол к ликвации, способствующей образованию поверхности раздела фаз и приближающей химический состав микрообластей к составу будущих кристаллов. Термическую обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; температура первой ступени лежит в области температуры размягчения стекла и соответствует максимальной скорости зарождения центров кристаллизации, при т-ре второй ступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей основные свойства ситаллов.

По керамической (порошковой) технологии получения ситаллы из расплава стекла вначале получают гранулят, который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластическую связку и из образовавшейся массы прессованием или шликерным литьем формуют изделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией. По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные ситаллы характеризуются более низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания. Порошковая технология позволяет получать из ситаллов термически стойкие изделия сложной конфигурации и малых размеров.

По химическому способу ситаллы получают главным образом по золь-гель технологии, в основе которой лежит низкотемпературный синтез (посредством реакций гидролиза и конденсации) металлоорганические соединения элементов, составляющих стекло, при температуре ниже температуры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать ситаллы на основе составов, не склонных к стеклообразованию, обеспечивает получение стекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает свойства ситаллов, синтезируемых на их основе.

ЧУГУН

Чугуны - это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.

Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:

Степень эвтектичности S Э - отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:

где 4,26 - концентрация углерода в эвтектике системы «железо-графит» (см. рис. 7.1.), Si и P - содержание этих элементов в чугуне, %.

Углеродный эквивалент определяется как:

С эк = С + 0,3(Si + P)

Чугуны подразделяются на: доэвтектические (S э < 1, C эв < 4,2–4,3), эвтектические (S э 1, С эк 4,2–4,3) и заэвтектические (S э > 1, C эв > 4,2–4,3).

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe-Fe 3 C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe 3 C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe-C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

На представленных диаграммах (рис.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fe-C графитная эвтектика (аустенит-графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E" S" в интервале температур 1 153–738 ° С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Пользование диаграммами Fe-C и Fe-Fe 3 C принципиально не отличается друг от друга.

Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образование цементита.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fe-C ниже линии C" D" образуется первичный графит, по линии E" C" F" - эвтектический графит, по линии Е" S" - вторичный графит и по линии P" S" К" - эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:

· бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;

· диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

· рост выделения графита.

При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe 3 C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые , серые и половинчатые .

Белые чугуны - получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe 3 C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe 3 C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны - образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые чугуны - занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe 3 C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 2) приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания кремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения (при толщине стенки отливки 50 мм).

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С фосфидной эвтектики.

Рис. 2. Структурная диаграмма: 1 - белые чугуны; 2 - половинчатые чугуны; 3, 4, 5 - серые чугуны на перлитной, феррито-перлитной и ферритной основе соответственно

Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.

Классификация серых чугунов

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной , когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной , когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

· чугун с пластинчатым графитом;

· чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

· чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

· чугун с вермикулярным графитом.

На рис.3 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.

Микроструктура чугунов приведена на рис. 7.4.

Рис. 3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включений

Рис. 4. Различные формы графита в чугуне: а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

Маркировка чугунов

По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугуна: П - передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л - литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5 содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории.

Марки чугуна литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ - серый Ч., ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм 2), например СЧ21-40,СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35.

Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм 2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугуна, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей. Пример обозначения легированных чугунов: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

Библиографический список

1. Соколов Р. С. «Химическая технология», 2003 г.;

2. Макмиллан П.У. «Стеклокерамика», 1967 г.;

3. Павлушкин Н.М. «Основы технологии ситаллов», 1970 г.;

4. Гиршович Н.Г. «Чугунное литьё», 1949 г.;

5. Дриц М.Е., Москалев М.А. «Технология конструкционных материалов и материаловедение», 1990 г.;

6. Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайтов:

http://www.orbeta.ru/stati/chugunyi.html

http://ru.wikipedia.org

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра инженерной графики

РЕФЕРАТ

На тему:

«Конструкционные материалы»

МИНСК, 2008

Требования к конструкционным материалам

Качество детали и механизма зависит в значительной мере от правильного выбора материала. При выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность – способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций, характеризуется пределом прочности σ u , пределом текучести σ y , условным пределом текучести σ 0,2 , пределом выносливости σ R , твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRC э; износостойкость – способность материала сопротивляться износу, характеризуется твердостью НВ, HRC э или допустимым удельным давлением q adm ; жесткость – способность материала сопротивляться упругим деформациям, характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е , при кручении – модулем упругости G ; упругость характеризуется пределом упругости σ e и модулем упругости Е ; антифрикционность характеризуется коэффициентом трения скольжения f; плотность ; удельные характеристики – характеристики, приходящиеся на единицу массы; электропроводность , теплопроводность , коррозионная стойкость , жаропрочность и др.

Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами. При изготовлении деталей методами обработки давлением (штамповка, прессование и т.д.) учитывают пластичность – свойство материала получать без разрушения значительные остаточные деформации; при изготовлении литьем учитывают легкоплавкость и жидкотекучесть – заполняемость без пустот узких полостей различных форм; при изготовлении методами механической обработки учитывают обрабатываемость резанием . К технологическим требованиям относят также термообрабатываемость – способность материала изменять механические свойства при термической (закалка, отпуск, отжиг) и термохимической (цементация, азотирование и т.д.) обработках и свариваемость – способность материала образовывать прочные соединения при сварке.

Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производствах дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за большой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги, здесь выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.

При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.

Черные металлы

К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.

Чугуны

Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава – на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм 2) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет σ ut = 18 кгс/мм 2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм 2) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 – высокопрочный чугун с σ ut = = 600МПа и δ = 2%.

Стали

Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.

По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.

По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 – Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы – А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В – химический состав и механические свойства.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Например, сталь Ст2кп – сталь группы А, кипящая; БСт3пс – сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп – сталь группы В, спокойная.

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.

Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два какие-либо критерия, характеризующие свойства материала. Как минимум, таких критериев должно быть четыре: жесткость конструкции, прочность материала, долговечность и надежность материала в условиях работы данной конструкции.

Жесткость конструкции.

Для многих силовых эле-ментов конструкций — шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т. п. — условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состоя-ния и т. д., а также и свойствами материала. Как было отмечено в гл. 3, показателем жесткости материала яв-ляется модуль нормальной упругости Ε (модуль жест-кости) — структурно нечувствительная характеристика, зависящая только от природы материала.

Среди главных конструкционных материалов наибо-лее высокое значение модуля Ε имеет сталь, наиболее низкое — магниевые сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их плотности (удельного веса) и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости: Е/у, √ Е/у, 3 √E/y, (табл. 1).

При оценке по этим критериям, выбираемым в соот-ветствии с формой и напряженным состоянием, во мно-гих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгод-ным материалом— углеродистые и легированные стали.

Таблица 1

Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов

Материал	Е, кгс/мм 2	γ, г/см 3	√ Е/у	3 √E/y
Углеродистые и легирован-ные стали	18 000— 22 000
Титановые сплавы
Алюминиевые сплавы
Магниевые сплавы
Стеклоплас-тики

Прочность конструкционных материалов, используе-мых в технике, изменяется в очень широком диапазо-не— от 10—15 до 250—350 кгс/мм 2 . Однако выбор мате-риала только по абсолютному значению показателей прочности σ τ (σ 0,2), σ Β и др. не дает правильной оценки возможностей материала. Для создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет плотность (удельный вес) материалов γ. С учетом этого более правильно оценивать значение его удельной прочности отношением характеристик прочности σ Β , σ τ и т. д. к плотности (удельному весу) материала, напри-мер σ Β /γ, σ τ /γ, где γ —плотность (удельный вес) мате-риала, г/см 3 .

Таблица 2

Удельная прочность некоторых конструкционных материалов

Материал	σ Β , · кгс / мм 2	γ, г/см 3	σ Β /γ· 10 5 см
Углеродистая конструкционная сталь
Легированная конструкционная сталь 30ХГСА
Высокопрочные стали.
Магниевые сплавы МА2, МА8
Алюминиевые сплавы Д16, В95
Титановые сплавы
Стеклопластики типа СВАМ

Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что, на-пример, алюминиевые сплавы, имея значительно мень-шую абсолютную прочность, чем углеродистые и мно-гие легированные стали, превосходят их по удель-ной прочности. Это означает, что при равной проч-ности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов — титано-вые сплавы.

Оценивая реальную прочность конструкционного ма-териала, следует учитывать характеристики пластично-сти δ, ψ, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения.

Надежность конструкции — это ее способность крат-ковременно работать вне расчетной ситуации, например выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала

Долговечность конструкции также зависит от усло-вий ее работы. Прежде всего это сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление ма-териала поверхностному износу, возникающему при тре-нии качения со скольжением). Долговечность изделия, кроме того, зависит от предела выносливости, зависяще-го в свою очередь от состояния поверхности. Определяется долговечность и коррозионной стойкостью материала.

Сплавы железа — сталь и чугун являются основными металлическими материалами, используемыми в раз-личных отраслях народного хозяйства.

Наиболее универсальным и широко используемым ма-териалом является сталь. Кроме перечисленных требо-ваний, стали должны иметь и хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие из-делия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываться на металлорежущих станках, хорошо свариваться. В ряде случаев от сталей требуется высокая коррозионная стойкость или жаро-прочность и т. д.

Достоинством сталей является возможность полу-чать в них нужный комплекс свойств, изменяя их состав и обработку.

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Все стали можно разделить на две группы — углеро-дистые и легированные. Углеродистые стали являются основным конструкционным материалом, который ис-пользуют в различных

областях промышлен-ности. Эти стали про-ще в производстве и значительно дешевле легированных. Но уг-леродистые стали — это не только сплав железа с углеродом, это сплав сложного хи-мического состава. По-этому свойства таких сталей определяются и количеством углеро-да, и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеро-дом.

Влияние углерода.

В углеродистой стали механиче-ские свойства зависят главным образом от содержания углерода. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. увеличиваются прочность и твердость и уменьшается пластичность (рис. 1). Как видно из графика, приведенного на рис. 135, прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующая-ся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита уменьшает прочность стали.

Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют еще другие элементы, наличие которых обусловлено

Постоянные примеси.

Это кремний, марганец, фос-фор и сера.

Марганец и кремний вводят в процессе вы-плавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления закиси железа, поэтому их также называют технологи-ческими примесями.

Кроме того, марганец способствует уменьшению со-держания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn->MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в фер-рите, повышая его прочность; марганец может также растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7—0,8% Май до 0,5% Si.

Сера — вредная примесь — попадает в сталь глав-ным образом с исходным сырьем —чугуном. Сера не-растворима в железе, она образует с ним соединение FeS —сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe-FeS) с температурой плав-ления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900° С сталь стано-вится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется крас-ноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки ста-ли. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склон-ностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут об-разовываться участки, богатые фосфором. Располага-ясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладно-ломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой ста-ли допускается до 0,050%.

Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

Рис. 1. Зависимость свойств горяче-катаной углеродистой стали от содер-жания углерода различными причинами. Различают примеси: постоян-ные, скрытые, случайные и специально введенные.

Скрытые примеси.

Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложно-сти определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутст-вовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя хими-ческие соединения (нитриды, оксиды). Газы могут на-ходиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10 -2 —10 -4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплав-ке стали. Содержание этих элементов ниже тех преде-лов, когда их вводят специально как легирующие до-бавки.

Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а ста-ли, их содержащие, — легированными сталями.

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1% или более. При содержа-нии ванадия, молибдена, титана, ниобия и других эле-ментов более 0,1—0,5% стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, харак-терные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1%.

В конструкционных сталях легирование осуществля-ют с целью улучшения механических свойств — прочно-сти, пластичности и т. д. Кроме того, легирующие эле-менты изменяют физические, химические и другие свой-ства стали.

Нужный комплекс свойств достигается не только ле-гированием, но и рациональной термической обработ-кой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно увеличивают стоимость стали, а некоторые из них к то-му же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосно-вано.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск нужной марки стали с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, спо-собу выплавки, по структуре в отожженном или нор-мализованном состоянии, по качеству и по назначе-нию.

Классификация по химическому составу

По химическому составу прежде всего все стали мож-но разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и угле-рода один какой-либо легирующий элемент), четырех -компонентные и т. д. Более применительной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д.

По степени легирования, т. е. по содержанию ле-гирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5—5% леги-рующих элементов), среднелегированные (до 10%) и высоколегированные (более 10%)·

Классификация по способу выплавки

Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одина-ковом содержании углерода имеют практически одина-ковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием крем-ния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15— 0,35%, в полуспокойной 0,05—0,15%, в кипящей < 0,05%.

Легированные стали выплавляют только спокойными в печах мартеновских или электрических.

В результате уменьшения содержания кремния в фер-рите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоя-нии (например, для изготовления деталей глубокой вы-тяжкой). Но из-за большого содержания газов, особен-но азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при —10° С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количе-ство углерода, могут работать до —40° С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их исполь-зуют для изготовления неответственных деталей и кон-струкций.

Классификация по структуре

По структуре в отожженном состоянии стали разде-ляют на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количест-во ферритообразующих легирующих элементов, напри-мер хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды — легированный ледебурит.

Рис. 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали

По структуре после охлаждения на воздухе легиро-ванные стали разделяют на три основных класса: пер-литный, мартенситный и аустенитный (рис. 2) (струк-туру во всех случаях определяют по образцам неболь-шого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают ус-тойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных темпе-ратур при различном содержании легирующих элемен-тов и углерода получаются различные структуры.

Классификация по качеству

В основе классификации сталей по качеству лежит содержание вредных примесей — серы и фосфора. Раз-личают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высоко-качественную.

Сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%, Ст0 до 0,07% Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кис-лородных конверторах. Обозначение марок стали — бук-венно-цифровое: буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2... Ст6. Степень раскисленности стали обозначают бук-вами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали ма-рок Ст 0 — Ст 4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки сталей от Ст 1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В. В мар-ках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); Б СтЗкп (сталь 3, груп-пы Б, кипящая); В Ст 3пс (сталь 3, группы В, полуспо-койная); В Ст 4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.

Химический состав стали группы А не регламентиру-ется, его только указывают в сертификатах металлурги-ческого завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам (σ Β , σ τ и δ).

С увеличением номера стали прочность увеличивается, а пластичность уменьшается:

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают раз-личной обработке (ковке, сварке, термической обработ-ке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б.

Углеродистая сталь обыкновенного качества — де-шевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80% всего производства углеродистых сталей.

Качественные стали.

В качественных сталях макси-мальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04% серы и 0,04% фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. Поэто-му при примерно одинаковом содержании углерода ка-чественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного каче-ства особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому соста-ву и по механическим свойствам. Марки сталей обозна-чают цифрами, указывающими среднее содержание уг-лерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07—0,08% для одной марки), степень раскисленности — буквами пс, кп (спокойные качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10 кп (0,10% С, кипящая), сталь 30пс (0,30% С, полуспокойная), сталь 45 (0,45% С, спокойная) и т. д. Качественные углеро-дистые стали поставляются заказчику в различном со-стоянии: без термической обработки, после нормализа-ции, различной степени пластической деформации и т. д. Состав некоторых качественных углеродистых сталей и их механические свойства приведены в приложении, табл. 5,

В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S <0,035% и Р<0,035%). Поскольку при этом стои-мость стали существенно увеличивается, конструкцион-ные углеродистые стали редко выплавляют высококаче-ственными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, напри-мер сталь У10А. Легированные стали выплавляют толь-ко качественными, а чаще —высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в СССР при-нята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначают следующими бук-вами: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт —К, титан —Т, азот —А, марганец —Г, медь — Д, ванадий —Ф, кремний —С, фосфор —П, алюминий —Ю, бор —Р, ниобий —Б, цирконий — Ц.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых до-лях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1%, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содер-жит около 0,18% С; 1% Cr; 1 % Μn и около 0,1 % Ti; мар-ки 12ХН3-0,12% С; 1% Сr и 3% Ni.

Нестандартные стали обозначают различным обра-зом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (бук-ва П), например стали ЭИ395, ЭИ347, ЭП398 и т. д. Состав таких сталей приведен в справочниках.

Особо высококачественными выплавляют только ле-гированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015% серы и 0,025% фосфора. К ним предъявляют по-вышенные требования и по содержанию других приме-сей.

Классификация по назначению

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особы-ми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержа-щие углерода до 0,25%, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых це-ментации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.

Сталь	Ст 1пс	Ст Зпс и Ст Зсп	Ст 6сп
σ Β , кгс/мм 2 .
σ Т, кгс/мм 2 ,

Для деталей машин , испытывающих ударные нагруз-ки, используют стали, содержащие 0,30—0,50% С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т. д.). Эти стали подвергают термической обработке — закалке с после-дующим высокотемпературным отпуском (улучшению).

Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50—0,70% С. Эти стали также применяют только пос-ле соответствующей термической обработки.

Стали, содержащие 0,7—1,5% С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Угле-родистые стали маркируются У7, У8, У13, где бук-ва У обозначает углеродистую сталь, а число показыва-ет содержание углерода в десятых долях процента, т. е. сталь У10 содержит 1% С. Эти стали иногда выплавля-ют высококачественными и тогда их маркируют У10А или У8А и т. п. У инструментальных легированных сталей содержа-ние углерода также обозначают в десятых долях про-цента, например сталь марки 9ХС содержит 0,9% С; 1% Сr и 1,4% Si. Если углерода больше 1%, то цифры не указывают, например стали ХВГ, ХГ и т. д.

Стали и сплавы с особыми свойствами . К этой группе относятся стали, коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы; с особыми магнитными свойствами и т. д.

ДЕФЕКТЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Кроме дефектов, характерных для углеродистых ста-лей, в легированных сталях проявляются и специфиче-ские дефекты: дендритная ликвация, флокены и от-пускная хрупкость II рода.

Дендритная ликвация. Наличие легирующих элемен-тов увеличивает температурный интервал кристаллиза-ции. Кроме того, как было отмечено, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ус-траняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

Флокены. Ранее неоднократно отмечалось различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их не-желательное присутствие, так как при этом свойства сталей ухудшаются. Так, например, возникает один из дефектов легированных сталей — флокены (трещины, ко-торые можно выявить при макротравлении). На изло-мах флокены имеют вид блестящих круглых или оваль-ных пятен, являющихся поверхностью трещин. В настоя-щее время установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200° С после ковки или прокатки. Их образование происходит вследствие при-сутствия в металле водорода, растворившегося в жид-ком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внут-ренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в хромовых и хромоникелевых конструкционных сталях. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл охлаждают медленно в области 250—200° С или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ

Некоторые детали работают в условиях поверхност-ного износа, испытывая при этом и динамические на-грузки. Для изготовления таких деталей используют малоуглеродистые стали, содержащие 0,10—0,30% С, подвергая их цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответ-ственного назначения применяют малоуглеродистые ста-ли марок 10, 15, 20. Для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием угле-рода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и т. д. Чем выше требо-вания к свойствам, тем более сложные стали по составу применяют.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т. д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1%Сг. При содержании хрома до 1,5% в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fe, Сr) 3 С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после тер-мической обработки увеличивается и глубина закален-ного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ва-надием (0,1—0,2%) — сталь 15ХФ — способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластич-ность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей средних раз-меров, испытывающих при работе высокие удельные на-грузки, используют стали, в состав которых входит ни-кель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глу-бину закаленного слоя, препятствует росту зерна и обра-зованию грубой цементитной сетки. Никель положитель-но влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Ввиду дефицитности никеля эти стали стремятся заме-нить другими легированными сталями. К таким сталям относятся хромомарганцевые стали с небольшим количе-ством титана (0,006—0,12%): 18ХГТ, 30ХГТ. В цемен-туемые стали титан вводят только для измельчения зер-на. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей.

В последние годы с целью повышения прочности для цементуемых деталей применяют стали, легированные бором (0,002-0,005%): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях экономии никеля применяют вместо ста-ли 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, уве-личивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к пе-регреву их дополнительно легируют Ti или Zr.

Обычно изделия, изготовленные из высоколегирован-ных цементуемых сталей, подвергают цементации на не-большую глубину.

УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3—0,5% С), подвергае-мые закалке и последующему высокотемпературному от-пуску. После такой термической обработки стали при-обретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают σ Β =60-70 кгс/мм 2 и α Η =4-5 кгс-м/см 2 . Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпин-дели, валы, оси и т. д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость HRC 40—50. Для получения высо-кой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т. д.).

Для повышения механических свойств сталей при изготовлении деталей сечением более 25—30 мм в со-став сталей добавляют легирующие элементы. Легиро-ванные стали обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряже-ния, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их ос-новное преимущество перед углеродистыми конструк-ционными сталями — лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости и т. п.

Большинство легированных конструкционных сталей относятся к перлитному классу.

При создании марок легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его де-фицитность.

Основным легирующим элементом в конструкцион-ных сталях является хром, содержание которого обыч-но составляет 0,8—1,1%; марганца в сталях до 1,5%; кремния 0,9—1,2%; молибдена 0,15—0,45%; никеля 1— 4,5%. Общая сумма легирующих элементов не превы-шает 3—5%.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увели-чивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость, Никель является исключением — он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладно-ломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особен-но ценны как конструкционный материал.

Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1% V, Ti, Nb

Zr для измельчения зерна Введение 0,002—0,003% В увеличивает прокаливаемость.

Улучшаемые стали можно условно разделить на несколь-ко групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1% Μn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15—0,25% Мо.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль , легированы хромом, кремнием и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемо-стью и прочностью, например сталь 30ХГС после тер-мической обработки имеет σ Ε = 165 кгс/мм 2 при а н = 4 кгс-м/см 2 . Недостаток этих сталей — склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, сложнее ее конфигура-ция, выше напряжения, возникающие в пей в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.

Рис. 3. Диаграмма для выбо-ра марок конструкционной ста-ли в зависимости от заданной прочности и размеров сечения а детали: 1 - 30ХНЗМ; 2 — 30ХНЗ; 3 - 34ХМА; 4 — ЗЗХСА; 5 — ЗОНЗ; 6 — 35ХА; 7 — 35СГ; 8 — сталь 30

Молибден и вольфрам вводят в состав сталей также для уменьшения склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных проч-ности и размеров сечения.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим не-обходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности σ Β , как пра-вило, получают не более 110—120 кгс/мм 2 , так как при большей прочности сталь практически становится хруп-кой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают σ Β = = 180—200 кгс/мм 2 , называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено не-сколькими способами. Один из таких способов — леги-рование среднеуглеродистых сталей (0,4—0,5% С) хро-мом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200—300° С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладнолом-кости, увеличивает сопротивление хрупкому разруше-нию. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Сr; 1 % Мо и 0,5% V, после закалки в масле и низкого от-пуска при 200°С имеет σ Β =200 кгс/мм 2 при 6 = 10%, ψ=40% и а н =3 кгс-м/см 2 .

Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермичес-кая закалка) приобретают высокую прочность — та-кая обработка сообщает сталям меньшую чувствитель-ность к надрезам. Прочность σ Β =160—185 кгс/мм 2 при δ=15—12% и а н =4—2 кгс-м/см 2 .

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения тер-момеханической обработки (ТМО). Так, стали ЗОХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют предел прочности до 280 кгс/мм 2 , относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5—2 раза по срав-нению с обычной термической обработкой. Объясняет-ся это тем, что частичное выделение углерода из аусте-нита при деформации облегчает подвижность дислока-ций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дис-локаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода).

Мартенситностареющие ст али .

Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластично-стью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинст-ва— высокая технологическая пластичность при обра-ботке давлением в широком интервале температур; от-сутствие трещинообразования при охлаждении с лю-быми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.

Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение про-текает по второму механизму, т. е. образуется реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая плотность дислокаций (до 10 10 —10 12 см). Для их закрепления требу-ется более 0,2% С, а в этих сталях его содержание 0,03%. Кроме того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мар-тенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень пластична. После закалки σ Β = 90—110 кгс/мм 2 , а δ =14—20%, ψ =70—80% и α = 20—30 кгс-м/см 2 .

Изделия из этих сталей получают пластической деформацией после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500° С.

Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения, который проводят при 480—500° С, за счет перераспределения леги-рующих элементов. Это приводит к образованию зон концентраци-онной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi, Νi 2 (Ti, Al), FeMo a в высокодисперсном состоянии. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и их размер не превышает 20—50 А.

Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на дислокациях. Дисперсные частицы, выделяясь на дислокациях, за-крепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличи-вается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочне-ние стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении.

Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значитель-нее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и титана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь 20—25 Ni. После термической обработки мартенситностареющих сталей получают σ В =240—280 кгс/мм 2 при б=12%, ψ=40% и а н = 10 кгс-м/см 2 (см. табл. 3).

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицит-ность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились марки так называемых «экономнолегированных» мартенситностареющих сталей: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.

Таблица 3

Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей

							кгсм/см а	кгс-м/см 2

Примечание. Во всех сталях содержится: <0,03% С; 0,01% S; 0,01% Р; 0,05-0,20% Аl.

Мартенситностареющие стали относятся к высоко-легированным сталям. Основным легирующим элемен-том является никель (10—26%), Кроме того, различа-ясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7— 9% Со; 4,5—5% Мо; 5-11% Сr; 0,1—0,35 Аl; -0,15— 1,6% Ti; иногда -0,3—0,5% Nb; <0,2% Si, Μn; <0,01% S, Ρ каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов.

В мартенситностареющих сталях стремятся полу-чить минимальное количество углерода (^0,03%), так как углерод, образуя с легирующими элементами кар-биды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элемен-тов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800—860° С, охлажде-нии на воздухе и затем отпуске — старении.

Мартенситностареющие стали используют для изго-товления шасси самолетов, оболочек космических лета-тельных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в со-четании с достаточной пластичностью.

ПРУЖИННО-РЕССОРНЫЕ СТАЛИ

Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д., — сохранение в течение длительного времени уп-ругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости (σ γπ), высокое сопро-тивление разрушению (S k) и усталости при пониженной плас-тичности.

Термически упрочняемые пру-жинно-рессорные стали обычно содержат 0,5—0,7% С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением витков приме-няют углеродистые стали по ГОСТ 1050—74. Для пружин бо-лее ответственного назначения и при большем сечении витков при-меняют легированные пружин-ные стали.

Для повышения выносливости пружин и рессор ши-роко применяют дробеструйную обработку.

Рис. 4 . Схема изменения прочности пружинных ста-лей в зависимости от темпе-ратуры отпуска

Чаще всего пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний создает высокое значение предела уп-ругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокаливаемость и их применяют для изготовления пружин из прутков диаметром до 25 мм. Для крупных наиболее ответственных пружин применяют стали 65С2ВА, 60С2ХФА.

Режим термической обработки назначают в зависи-мости от состава стали и условий работы пружин. Наи-более высокая упругая прочность достигается в резуль-тате среднего отпуска на троостит.

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ

Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ро-лики) в процессе работы испытывают высокие удель-ные переменные нагрузки. Поэтому стали, используе-мые для их изготовления, должны иметь высокую проч-ность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъяв-ляют высокие требования по содержанию неметалличе ских включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты явля-ются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание не-металлических включений, что резко снижает долговеч-ность подшипника.

Таблица 4

Химический состав (%) шарикоподшипниковой стали.

Сталь	С r	Μ n

Примечание. Во всех сталях содержится <0,02% S; <0,027% Р.

Для изготовления шариковых и роликовых под-шипников применяют высокоуглеродистую сталь, леги-рованную хромом (табл. 4).

Маркировку ШХ следует расшифровывать как ша-рикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента.

Шарики и ролики небольших диаметров изготавли-вают из стали ШХ9. Из стали ШХ15 изготавливают ша-рики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15—30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диа-метром более 30 мм и кольца с толщиной стенки более 15 мм — из стали ШХ15СГ,

Для изготовления деталей крупногабаритных под-шипников, работающих при больших ударных нагруз-ках (например, подшипников прокатных станов), при-меняют цементуемую сталь марки 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементован-ный слой глубиной 5—10 мм.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Износ деталей машин и аппаратов является слож-ным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом слу-чае металл наклёпывается с поверхности, поэтому из-носостойкость существенно зависит от способности ме-талла наклёпываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.

Графитизированные стали. Графитизированные ста-ли (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366) содержат повышенное ко-личество углерода (до 1,75%) и кремния (до 1,6%)· Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжи-га (напоминающего отжиг для получения ковкого чу-гуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого пер-лита с некоторым количеством мелких округлых вклю-чений графита. При неабразивном износе графит игра-ет роль смазки, предотвращая сухое трение и схваты-вание. Кроме того, эти стали обладают антивибрацион-ными свойствами.

Графитизировапную сталь применяют для изготов-ления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, ло-пастей дробеструйных аппаратов и т.д.

Высокомарганцовистые стали. Высокомарганцови-стые стали, содержащие около 1% С и 12—13% Μn, обозначают так: сталь Г13 (1,2% С; 13% Мn; <0,5% Si) и сталь Г13Л (1,2% С; 12% Мn и -1% Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn) 3 С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вяз-кость и прочность стали. Поэтому обычно изделия под-вергают закалке с 1050—1100° С в воде, получая струк-туру однородного марганцовистого аустенита (σ Β = 80-Η 4-100 кгс/мм 2 ; δ = 40-τ-50%; НВ 2004-250). Характер-ной особенностью марганцовистого аустенита является его повышенная склонность к наклепу. При деформа-ции на 60—70% твердость стали ПЗ увеличивается до НВ500 (рис. 5), что объяс-няется большими искажения-ми кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации удар-ные нагрузки и износ одновре-менно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режу-щим инструментом, изделия из нее изготавливаются литьем.

Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и т.д.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Так как детали строительных конструкций соединя-ют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому стро-ительные стали содержат углерода до 0,25%. При бо-лее высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае на-блюдается объемный эффект, что способствует образо-ванию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллиза-ции металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.

Рис. 5 . Влияние степени де-формации на твердость стали ПЗ (1) и углеродистой стали 40 (2)

В качестве строительных сталей используют глав-ным образом углеродистые стали обыкновенного каче-ства марок СтЗ, Ст4, имеющие предел текучести 20—27 кгс/мм 2 .

Прочность строительных сталей повышается в ре-зультате легирования. Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная сталь содержит до 1,75% Μn и до 0,7% Si. Предел текучести увеличивает-ся до 36—38 кгс/мм 2 .

Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических свойств, имеют еще одно пре-имущество— пониженную критическую температуру пе-рехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до —40° С, а стали 10ХСНД и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до —60° С.

АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ

Для изготовления неответственных деталей, произ-водимых в большом количестве на станках-автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые автоматные стали (ГОСТ 1414—75). В та-ких сталях допускается повышенное содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью, благодаря чему стружка образуется короткая и лом-кая, а поверхность обработанных деталей получает-ся чистой и ровной. При изготовлении деталей из автоматных сталей возможны большие скорости ре-зания.

Таблица 5

Химический состав (%) автоматных сталей

Марка стали

Примечание. Во всех сталях содержится 0,15—0,35% Si.

Добавки свинца (~0,25%) улучшают обрабатывае-мость резанием (АС11, АС40). Автоматные стали мар-кируют буквой А (автоматная), затем следуют цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых до-лях процента (табл. 5).

Автоматные стали подвергают диффузионному от-жигу при температуре 1100—1150° С для устранения ликвации серы, тем самым устраняется возможность красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.).

ЧУГУНЫ

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, со-держащие более 2% С. Наиболее значительную часть выплавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако не менее 20% его используют для изготовления литых деталей машин и других изделий. В практике машино-строения в большинстве случаев используют чугун с со-держанием 2,5—4% С. В промышленном чугуне, кроме углерода, обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).

Чугун отличается высокими литейными свойствами, изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергает-ся обработке давлением. В зависимости от формы вы-деления углерода чугун подразделяют на белый, поло-винчатый и серый.

Белым называют такой чугун, в котором при нор-мальной температуре весь углерод находится в связан-ном состоянии, в основном в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск.

Серым называют такой чугун, в котором весь угле-род или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8%. Ввиду большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.

В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% С присутству-ет в форме цементита.

В ряде случаев находят применение детали, изготов-ленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная масса металла в таких деталях имеет структуру серого чугуна и только в поверхностном слое почти весь угле-род находится в форме цементита. Типичным примером являются прокатные валки для холодной прокатки листов. Наличие большого количества цементита придает валкам высокую поверхностную твердость и высокое сопротивление износу, что способствует получению лис-тов с чистой поверхностью.

Структура чугунов существенно зависит от их хими-ческого состава и скорости охлаждения.

Рис. 6 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в от-ливке (с толщиной стенки 50 мм) в зависимости от содержания в чу-гуне кремния и углерода:

1 — белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны

Рис. 7 . Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получаться структура в отливке в зависимости от суммы содержания углерода и кремния, а также толщины отливки:

1— белые чугуны; 2 — серые пер-литные чугуны; 3 — серые ферритные чугуны

Химический состав. Кремний способствует графитизации чугуна. Кремний растворяется в Fe a , образуя раствор замещения. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%. На рис. 6 приведена диа-грамма, которая дает возможность определить заранее будущую структуру отливки по содержанию углерода и кремния.

Марганец препятствует графитизации, способст-вует получению в структуре чугуна цементита. Содер-жание марганца в чугунах — от 0,4 до 1,3%.

С е ρ а в чугунах является нежелательным элемен-том. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбели-ванию чугуна, как и марганец. Содержание серы допу-скается не более 0,08—0,12%,

Фосфор в чугунах — полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтек-тики увеличивают твердость и износостойкость чу-гуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0,3 до 0,8%.

Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (ни-кель, хром, алюминий, молибден и т.д.), тем самым улучшая их свойства.

Скорость охлаждения.

Кроме регулирования содер-жания углерода и кремния, необходимо также учиты-вать скорость охлаждения отливок. Известно, что бы-строе охлаждение способствует получению белого чугуна, замедленное — серого чугуна. На рис.7 при-ведена диаграмма, пользуясь которой можно получить в отливке нужную структуру, регулируя химический со-став и скорость охлаждения.

СЕРЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ

В серых литейных чугунах обычно содержится до 3,8% С. В форме цементита находится не более 0,8% С, остальной углерод содержится в графитовых чешуйках, размер и форма которых зависят от состава чугуна и технологии отливки. Металлической основой серого чу-гуна является доэвтектоидная или эвтектоидная сталь, т.е. Φ, Ф+П и Π (рис. 8,а, б). Структура металли-ческой основы практически не влияет на пластичность серого чугуна (она во всех случаях остается чрезвычай-но низкой), но оказывает влияние на его твердость.

Графит имеет низкую механическую прочность. Ме-ста его залегания можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности. Удельный объем гра-фита примерно в 3,5 раза больше удельного объема же-леза, поэтому при содержании в чугуне 3% графита он занимает примерно 10% объема.

Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами вклю-чений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность.

Такая форма достигается путем модифицирования. Для серых чугунов в качестве модификаторов исполь-зуют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Моди-фикаторы вводят в таком небольшом количестве, что они заметно не изменяют химического состава, но ока-зывают сильное влияние на процесс графитизации. Кроме того, они играют роль зародышевых центров вы-деления графита.

Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидкотекучестью, малой усадкой. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрик-ционными и демпфирующими свойствами (графит выполняет роль смазки). По ГОСТ 1412-70 серые чугуны маркируются буквами СЧ и далее следуют числа пре-дела прочности при растяжении и предела прочности при изгибе. Например, СЧ 12-28, СЧ 24-44, СЧ 32-52, СЧ 44-64.

Рис. 8 . Структура серых чугунов с феррито-перлитной (а) и перлитной (б) металлической основой. Х200

Чугуны до СЧ 18-36 используют для неответствен-ных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насо-сов, фундаментные плиты, строительные колонны и т.п. Чугуны начиная с СЧ 21-40 используют для изготовле-ния станин мощных станков, деталей металлургическо-го оборудования, зубчатых колес и т.д.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ

В высокопрочных чугунах содержание углерода около 3—3,6%. Если использовать в качестве модифи-катора магний (до 0,5% от массы отливки), который вводят перед разливкой в жидкий чугун, то выделяю-щийся графит приобретает шаровидную форму (рис. 9 а, б). Механические свойства чугуна в результате этого улучшаются: сильно повышается его пластич-ность и заметно увеличивается прочность.

Рис.9. Высокопрочный чугун на ферритной (я) и феррито-перлитной (б) основе; ковкий чугун на ферритной (в) и перлитной (г) основе.

Большая доля магния в газообразном состоянии удаляется из жидкого металла и лишь небольшая часть (около 0,05%) усваивается чугуном.

Чугун с шаровидной формой включений графита на-зывают высокопрочным чугуном и маркируют буквами ВЧ. Далее следуют числа —предел прочности при рас-тяжении и относительное удлинение, например, ВЧ 38-17, ВЧ 60-2, ВЧ 120-4 Металлическая основа высокопрочного чугуна так-же может быть различной: феррит, феррит с перлитом и перлит (см. рис. 9, а, б).

Основной причиной высоких механических свойств магниевого чугуна является шаровидная форма графита. В сером чугуне пластинчатые выделения представляют собой внутренние «надрезы» с очень острыми краями. При нагружении материала у оснований этих надрезов возникает сильная концентрация напряжений, которые мо-гут вызвать развитие острых трещин, являющихся продолжением графитовых включений. Полости шарообразной формы не создают такой неравномерности в распределении напряжений.

Благодаря хорошим механическим свойствам из вы-сокопрочного чугуна изготавливают ответственные де-тали, например коленчатые валы, зубчатые колеса, кор-пуса автомобильных моторов, крупные прокатные вал-ки, корпуса паровых турбин и т.д.

КОВКИЕ ЧУГУНЫ

Термин «ковкий чугун» является условным, посколь-ку изделия из него, так же как и из любого другого чу-гуна, изготовляют не ковкой, а путем литья. В ковком чугуне графит находится в форме хлопьев (см. рис,9,в, г). Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических харак-теристик ковкого чугуна. Производство ковкого чугуна, несмотря на значительную сложность технологии, бы-ло освоено намного раньше, чем высокопрочного чу-гуна.

Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,2—3,0% С; 0,7—1,5% Si; 0,2— 0,6% Μn; <0,2% Ρ и <0,1% S.

Чугун такого состава после заполнения литейных форм быстро охлаждают и получают белый чугун со структурой перлит+ледебурит.

Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при производстве изделий из ковкого чугуна является отжиг, который продолжается иногда до пяти суток. Типичный график отжига ковкого чугуна приведен на рис,10. Изделия для отжига укладывают на под печи или упаковывают в ящики с песком для предохранения от окислительного действия печных газов (при этом продолжительность отжига увеличивается ввиду мень-шей скорости нагрева).

Рис. 10. График отжига ковкого чугуна:

(A + Fe 3 C ) — ледебурит; А — аустенит; П — пер-лит; Φ — феррит; Г — графит

Отжиг в печи в обычной, а также в нейтральной ат-мосферах, т.е. при упаковке изделий в коробки с пес-ком, проводят при нагреве примерно до 950° С, причем

в результате выдержки изделий при данной температу-ре должен произойти полный распад всего избыточного цементита, находящегося в равновесии с аустенитом: Fe 3 C->-3Fe + C. Кроме того, распаду цементита в ков-ком чугуне способствует находящийся в нем кремний. Процесс графитизации был описан ранее. Для того что-бы графитизация прошла полностью, необходимо осо-бенно замедлить охлаждение чугуна в температурной области от 760 до 720° С, т. е. в районе эвтектоидного превращения. В процессе этой выдержки происходит распад аустенита эвтектоидного состава на феррит и графит. Графит, получающийся в результате данного превращения, выделяется около тех хлопьев графита, которые образовались при распаде цементита.

В результате всех превращений структура ковкого чугуна будет состоять из зерен феррита и равномерно распределенных в объеме металла хлопьев графита. Поскольку в таком чугуне находится довольно много графита, излом получается темным и его называют черносердечным.

Если в районе эвтектоидного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будут присутствовать зерна перлита в большем или меньшем количестве. Регулируя скорость охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура которого будет состоять из перлита+хлопья графита. Такой чугун называют перлитным ковким чугуном или светлосердечным.

Рис. 11. Влияние металлической основы и формы включений графита на свойства чугунов

В последние годы появились различные варианты термической обработки при получении ковкого чугуна, преследующие одну цель— сокращение продолжительности отжига. Отжиг небольших деталей проводят в солевых ваннах. В этом случае отливки быстрее и рав-номернее нагреваются, кроме того, можно увеличить температуру отжига, поскольку при таком нагреве среда не оказывает химичес-кого действия на поверхность отливок (обезуглероживания, окисле-ния). Структуру перлитного ковкого чугуна получают за несколько часов.

Продолжительность отжига сокращается на 25—30% и в том случае, если произвести модифицирование чугуна добавлением в ковш - 0,015% А1. В результате получается мелкозернистый аустенит, имеющий большую межзерновую поверхность, на которой зарождаются и растут частицы графита. Одновременно с модифици-рованием осуществляют иногда и искусственное старение, заключающееся в предварительном нагреве отливок до 350—450°С с вы-держкой до 6—7 ч. Такая обработка также способствует увеличению числа центров кристаллизации.

Предложен метод предварительной закал-ки отливок с 850—950° С. В результате закалки также увеличивает-ся число центров выделения графита, что способствует ускорению превращения белого чугуна в ковкий. Продолжительность отжига отливок в этом случае сокращается до 20—25 ч, графит выделяет-ся в виде мелких чешуек.

На рис. 11 приведена схема, показывающая влия-ние металлической основы и формы выделений графита на свойства различных видов чугунов.

Основные понятия о технологических процессах в машиностроительных производствах

Целью современного машиностроительного производства является реализация процесса превращения сырья, материалов, полуфабрикатов и других предметов труда в готовую машину, удовлетворяющую потребностям общества (рис.1.1).

Рис.1.1. Схема процесса производства

Машина является технической системой, которая создается для выполнения определенных функций, т.е. имеет определенное служебное назначение.

Служебное назначение машины – это совокупность ее потребительских свойств и технических требований.

Технические требования – это система качественных показателей машины с установленными на них количественными значениями.

По назначению и характеру рабочего процесса машины делятся на энергетические, технологические, транспортные.

Энергетические машины предназначены для преобразования того или иного вида энергии в механическую работу.

Технологические машины - это машины, использующие механическую работу, получаемую от энергетических машин для изменения свойств, формы и состояния обрабатываемых объектов.

Транспортные машины, предназначенные для изменения положения и направления перемещения предметов и материалов в пространстве.

Каждая машина обладает определенной структурой и состоит из ряда функциональных компонентов. Функциональными компонентами машины называют сборочные единицы (узлы) различных уровней сложности, детали и части деталей (рис. 1.2).

· Деталью машины называется изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Деталь, как правило, имеет определенную геометрическую форму и выполняет хотя бы одну функцию по обеспечению работы машины. Деталь это простейший элемент машины (например: вал, втулка, зубчатое колесо и т.п.).

Детали машин классифицируют по четырем основным признакам:

По виду поверхности (геометрической форме);

По размеру;

По точности;

По материалу, из которого они изготовлены.

Геометрическая форма детали предопределяется ее функцией и вместе с габаритными размерами, показателями точности, материалом и его свойствами предопределяет процесс ее изготовления для конкретного производства.

· Сборочной единицей называется изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, склеиванием и т.д.). В зависимости от степени сложности и других технологических параметров, в машиностроении принято делить сборочные единицы на порядки (самые сложные - это сборочные единицы первого порядка).

Рис.1.2. Структура машины

Производство машин осуществляется в результате выполнения производственного процесса, под которым понимают совокупность всех этапов, которые проходят исходные продукты на пути их превращения в готовую машину.

По отношению к изделию различные этапы производственного процесса проявляют себя по-разному (рис. 1.3).

Одни из них изменяют качественное состояние изделия:

Размеры;

Структуру и химический состав материала;

Такие процессы называются основными производственными процессами. Совокупность основных производственных процессов образует основное производство предприятий.

Производственные процессы, обеспечивающие бесперебойное протекание основных процессов называются вспомогательными. Их результатом является продукция, используемая на самом предприятии.

Другие процессы, как, например, транспортирование, контроль, хранение на складах, не оказывают никаких воздействий, хотя без них производственный процесс не смог бы быть осуществлен. Такие процессы называются обслуживающими.

Рис. 1.3. Виды производственных процессов по отношению к изделию

В каждый производственный процесс входят основные и вспомогательные технологические процессы.

· В машиностроении под технологическим процессом обычно понимают часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению качественного состояния объекта с целью получения деталей или изделий заданной формы, размеров и физико-химических свойств.

Технологические процессы, обеспечивающие превращение сырья и материалов в готовую продукцию, называются основными.

Вспомогательные технологические процессы обеспечивают изготовление продукции, используемой для обслуживания основного производства.

По применяемым методам и способам производства, организационному построению и другим признакам технологические процессы делятся на три фазы (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Фазная структура технологических процессов

Фаза - это комплекс работ, выполнение которых характеризует завершение определенной части технологического процесса и связано с переходом предмета труда из одного качественного состояния в другое.

На рисунке 1.5 в качестве примера показаны некоторые технологические процессы заготовительной фазы.

Рис. 1.5. Технологические процессы заготовительной фазы

На рисунке 1.6 показаны некоторые технологические процессы обрабатывающей фазы.

Рис. 1.6. Технологические процессы обрабатывающей фазы.

С целью организации и нормирования труда технологические процессы расчленяют на операции, которые выполняются в определенной последовательности.

Степень пооперационной расчлененности технологического процесса зависит от:

Объема работы по изготовлению данного изделия;

Количества рабочих, занятых изготовлением изделия;

Размеров производственного помещения (рабочей площади);

Характера оборудования рабочих мест и других условий производства.

· Под операцией следует понимать часть технологического процесса, выполняемую над определенным предметом труда на одном рабочем месте одним или группой рабочих.

Одна и та же работа может быть представлена различным числом операций. Если, например, необходимо обточить пруток, просверлить продольное отверстие (рис. 1.7), и все это выполняется одним рабочим на одном станке, то это будет одна операция. Если обточка, сверление и нарезка резьбы производятся на разных станках, то это будут три операции. По технологическим признакам операции расчленяются на переходы, установки, и проходы.

· Установка – это часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или сборочной единицы. Одна установка может содержать в себе один или несколько переходов.

· Технологический переход - это законченная технологически однородная часть операции, выполняемая при одном режиме работы оборудования и неизменном инструменте (рис.1.7. позиции 2 и 3).

Рис. 1.7. Операция изготовления втулки на одном станке, одним рабочим за одну установку

· Вспомогательный переход – это законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением предмета труда, но необходимы для выполнения технологического перехода (например, установка заготовки, смена инструмента и т.д.).

Каждый технологический процесс разрабатывают применительно к определенному типу производства. Тип производства - это классификационная категория, определяемая следующими принципами:

· объемом годового выпуска продукции (числом изделий, подлежащих изготовлению в установленную календарную единицу времени);

· широтой номенклатуры производства изделий;

· производственной мощностью (максимально возможному выпуску продукции установленной номенклатуры и количества при полном использовании возможностей предприятия).

Технологический процесс, прогрессивный для одного типа производства, может быть совершенно неприемлемым для другого типа производства. Различают три основных типа производства (рис. 1.8):

Рис. 1.8. Типы производства

· Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых деталей, повторное изготовление которых не предусматривается. К основным особенностям единичного производства относятся:

Широкая и разнообразная номенклатура изделий;

Отсутствие повторяемости операций на рабочих местах;

Универсальность оборудования, приспособлений и инструмента;

Высокая квалификация рабочих.

Перечисленные особенности единичного производства определяют более высокую себестоимость выпускаемых изделий.

Единичное производство существует в тяжелом машиностроении, судостроении, опытном производстве любых машин и т. п. (Например: на станкостроительном заводе изготавливается сложный специальный станок для обработки длинномерных валов по специальному заказу судостроительного предприятия).

· Серийное производство характеризуется тем, что изделия изготавливают сериями или партиями. В серийном производстве станки периодически переналаживают с одной операции на другую.

К особенностям серийного производства относятся следующие признаки:

Периодическая смена операций на рабочих местах,

Высокая специализация оборудования, приспособлений, инструментов.

С экономической точки зрения серийное производство более выгодно, чем единичное. Серийное производство - наиболее характерный вид производства для среднего машиностроения. К этому виду производства относят многие разновидности сельскохозяйственного машиностроения, станкостроение, производство насосов, компрессоров, текстильных машин и т.п.

· Массовым производством называется такое производство, при котором изделия изготовляют путем выполнения на рабочих местах одних и тех же постоянно повторяющихся операций. Массовому производству свойственны следующие признаки:

Установившийся объем и характер работы на рабочих местах;

Расположение рабочих мест в порядке выполнения операций.

Применение специальных высокопроизводительных станков, приспособлений и инструментов;

К продукции массового производства относятся автомобили, сельскохозяйственные машины, велосипеды, бытовая техника машины и др.

Современное машиностроительное предприятие является сложной системой, состоящей из организационных и производственных единиц - управленческих, маркетинговых, технологических, производственных, обслуживающих. Различают следующие производственные единицы предприятия.

· Цех – это основное производственное подразделение
предприятия, выполняющее возложенную на него определенную
часть производственного процесса.

· Участок - это самостоятельное структурное подразделение цеха, где выполняются конкретные работы из тех, что закреплены за цехом. Участок является первичным производственным подразделением предприятия. Первичным звеном каждого производственного участка является рабочее место.

· Рабочее место – это часть производственной площади участка (цеха), закрепленная за одним или бригадой рабочих и оснащенная оборудованием, инструментом и вспомогательными устройствами, соответствующими характеру выполняемых работ.

В основу организации цехов и участков положены принципы концентрации и специализации. Специализация цехов и производственных участков может быть осуществлена по видам работ (технологическая специализация) или по видам изготовленной продукции (предметная специализация).

Пример технологической специализации: литейный, термический или гальванический цехи, токарный и шлифовальный участок в механическом цехе.

Пример предметной специализации: цех корпусных деталей, участок валов, цех по изготовлению редукторов и др.

Контрольные вопросы к лекции 1:

1. Дайте определение понятию «деталь». Самостоятельно определите детали в конкретной модели машины.

2. Дайте определение понятию «сборочная единица». Самостоятельно определите сборочные единицы в конкретной модели машины.

3. Определите цели и задачи основных производственных процессов. Что включают в себя основные производственные процессы.

4. Дайте определение понятию «технологический процесс».

5. Дайте определение понятию «операция технологического процесса».

6. Опишите структуру машиностроительного предприятия.

7. Дайте характеристику основных цехов предприятия.

8. Охарактеризуйте особенности серийного производства. Приведите самостоятельные примеры.

9. Охарактеризуйте особенности массового производства. Приведите самостоятельные примеры.

Лекция 2. Основные понятия о проектировании технологических процессов

Процесс создания любой новой машины включает в себя ряд последовательных этапов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Этапы создания машины

Этап 1 . Поисковое проектирование.

На этом этапе производится анализ потребности рынка в данном изделии, исследуются конкурирующие аналоги, оцениваются временные и финансовые затраты для начала производства изделия, планируется серийность (годовой объем выпуска) изделия и устанавливаются его основные технические характеристики, оценивается возможная прибыль предприятия.

Этап 2 . Конструирование.

На данном этапе осуществляется детальная разработка конструкции изделия. Структура, состав и геометрические параметры изделия должны соответствовать техническому заданию и обеспечивать требуемые эксплуатационные характеристики изделия.

Важно спроектировать изделие так, чтобы его можно было изготовить наиболее простым образом и с минимальными затратами. Если это требование выполнено, то говорят о технологичности изготовления изделия.

Результаты конструирования оформляются в виде комплекта конструкторской документации. Он включает в себя деталировочные и сборочные чертежи, спецификации и другие документы. В настоящее время в конструкторскую документацию могут включаться компьютерные модели деталей и сборочных единиц изделия.

Этап 3. Проектирование технологических процессов.

Данный этап состоит в обеспечении технологической готовности предприятия к выпуску данного изделия, при соблюдении требований к качеству, срокам и объемам выпуска, а также с учетом запланированных затрат.

Рис. 2.2. Элементы содержания работ по проектированию технологических процессов

· Выбора вида заготовок (процессов их получения). Например, для детали «втулка» в качестве заготовки выбираем пруток из стали определенной марки диаметром 20 мм. Такой пруток является стандартной продукцией металлургического производства и широко представлен на рынке черных металлов (рис. 2.3).

Рис 2.3. Выбор заготовки

· Разработки межцеховых маршрутов (определение пути, который пройдет заготовка, прежде чем превратится в деталь и станет частью сборочной единицы или изделия). Например: склад материалов → заготовительный участок механического цеха → токарный участок механического цеха → сборочный цех → склад готовой продукции.

· Определения последовательности и содержания технологических операций. Например:

Операция 1 слесарная: разрезка прутка на мерные заготовки;

Операция 2 транспортировка на токарный участок;

Операция 3 токарная, состоящая из нескольких установок и переходов;

Операция 4 транспортировка на сборочный участок;

· Определения, выбора и заказа средств технологического оснащения. Например, для токарной операции потребуется: станок токарно-винторезный 16К20 → патрон трехкулачковый → задний центр → резцы проходной, подрезной, отрезной и.т.д. → сверло Ø 6,9 мм → метчик М 8 и т.п.

· Установления порядка, методов и средств технического контроля качества. Например: ручной контроль с использованием штангенциркуля

· Назначения и расчета режимов резания. Например: с учетом обрабатываемого и инструментального материалов и припусков на обработку устанавливают скорость резания (частоту вращения шпинделя станка), величины подач инструмента, глубину резания и т.п. Например, V = 150 м/мин, S = 0,07 мм/об, t = 0, 2 мм.

· Технического нормирования операций производственного процесса. Производят расчет времени, затраченного на данную операцию.

· Определения профессий и квалификации исполнителей. Например: токарь 1 разряда.

· Организации производственных участков (поточных линий). Предлагается рациональная расстановка оборудования в помещении цеха, с целью сокращения времени на транспортировку.

· Формирования рабочей документации на технологические процессы в соответствии с ЕСТД (Единая система технологической документации).

Технологическая документация - основной источник информации для организации, управления и регулирования производственного процесса на каждом предприятии. Она сопровождает изделие в течение всего жизненного цикла и заканчивает свое существование при списании изделия.

В машиностроении технологическая документация решает две основные задачи (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Задачи технологической документации

Решая информационную задачу, технологическая документация:

· обеспечивает изготовление деталей и сборочных единиц;

· служит средством организации труда рабочих;

· несет информацию для служб управления производством для определения себестоимости изделия и его сборочных единиц, производительности труда, производственной мощности и загрузки оборудования участков, цехов и предприятий в целом;

· является носителем информации о нормах расхода материалов;

· обеспечивает планирование и подготовку производства и т.д.

При решении организационной задачи технологическая документация:

· связывает определенным образом участников производства;

· устанавливает определенные отношения между различными участками производства;

· выполняет функцию организационной документации.

Рис. 2.5. Фрагменты технологической документации: маршрутной карты (а ), операционной карты (б )

Стадии разработки и виды документов, применяемых для технологических процессов изготовления (сборки) изделий машиностроения устанавливаются ГОСТом. Состав применяемых видов документов определяется разработчиком документов в зависимости от стадий разработки, типа и характера производства. Из всего перечня документов, регламентируемого стандартом, применяют:

- маршрутные карты (МК),

- операционные карты (ОК),

- карты технологического процесса (КТП),

· Маршрутная карта (рис. 2.5, а ) – это документ, указывающий последовательность прохождения заготовок, деталей или сборочных единиц по цехам и производственным участкам предприятия.

· Операционная карта (рис. 2.5, б ) – это документ, указывающий последовательность прохождения заготовки, детали или сборочной единицы по переходам в рамках одной операции на рабочем месте в цехе участкам предприятия.

Этап 4. Создание опытного образца. Этот этап имеет своей целью проверку качества принятых конструкторских и технологических решений путем испытаний опытного образца изделия.

По результатам испытаний могут быть внесены изменения как в конструкторскую документацию (то есть в конструкцию изделия), так и в разработанные технологические процессы.

Этап 5 . Освоение производства. На данном этапе предприятие должно выйти на намеченные объемы выпуска изделия, стабилизировать качество продукции и добиться заданной трудоемкости на всех стадиях производства. Здесь может понадобиться освоение дополнительных производственных мощностей, совершенствование технологических процессов, повышение численности и квалификации персонала.

Этапы создания нового изделия являются элементами Жизненного Цикла Изделия (ЖЦИ), который охватывает все стадии жизни изделия - от изучения рынка перед проектированием до утилизации изделия после использования.

Контрольные вопросы к лекции 2:

1. Перечислите этапы создания машины.

2. Что представляет собой этап поискового проектирования. Цель этапа.

3. Что представляет собой этап конструирования. Цель этапа.

4. Перечислите содержание основных работ по проектированию технологических процессов.

5. Роль и задачи технологической документации в процессе технологической подготовки производства.

6. Что отражают в маршрутной карте.

7. Что отражают в операционной карте.

8. Что представляет собой этап создания опытного образца. Цель этапа.

9. Что представляет собой этап освоения производства. Цель этапа.

10. Как вы понимаете термин «жизненный цикл изделия»

Лекция 3. Современные конструкционные материалы в машиностроительном производстве

Любая машина и составляющие ее детали изготавливаются из конструкционных материалов, которые обеспечивают выполнение ею служебного назначения. В современном машиностроении к конструкционным материалам предъявляют следующие основные требования:

Эксплуатационные,

Технологические,

Экономические,

Экологические и др.

На примере редуктора машины показано многообразие материалов, из которых выполнены его детали (рис. 3.1). Корпус редуктора (1 ) изготовлен из серого чугуна; зубчатое колесо (2 ) из ковкого чугуна; вал (3 ) из легированной стали; подшипник (4 ) из подшипниковой стали (композита, сплава цветного металла); крышка подшипника (5 ) из полимерного материала; уплотнительные кольца (6 ) из материала на основе резины.

Рис. 3.1. Редуктор машины и его детали, выполненные из различных конструкционных материалов: 1 - корпус редуктора, 2 - зубчатое колесо, 3 - вал, 4 - подшипник, 5 - крышка подшипника, 6 - уплотнительные кольца

По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальная классификация конструкционных материалов

· Металлические материалы наиболее распространены в машиностроении, к этой группе материалов относятся все металлы и их сплавы.

Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:

1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.

2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.

3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина

4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.

Под чистыми металлами понимают твёрдые вещества, состоящие только из одного компонента. Чистые металлы редко используют в машиностроении. Наиболее распространено использование металлических конструкционных материалов в виде сплавов.

Под сплавами понимают твёрдые вещества, образованные сплавлением двух или более металлических компонентов. Сплавы на основе железа называются черными, а на основе других металлов – цветными.

Легкими цветными сплавами называют сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность. Тяжелыми цветными сплавами называют сплавы на основе меди, олова.

Легкоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута. Тугоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др.

· Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Среди них также можно выделить несколько групп (рис. 3.3):

Рис. 3.3. Группы неметаллических материалов

1. Пластмассы – это материалы на основе высокомолекулярных соединений (полимеров), как правило, с наполнителями. Наполнителями пластмасс называют порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные материалы, которые определяют свойства пластмасс. Различают пластмассы с твердым наполнителем (полиэтилены, полистиролы, поликарбонаты и т.п.), а также с газофазовым наполнителем (пенопласты, поропласты и т.п.)

2. Керамика – это материал на основе порошков тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 и др.

3. Стекло – это материал на основе оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO 2 .

4. Резина – это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавлением серы и других элементов.

5. Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений.

· Композиционные материалы получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Различают элементы композиционного материала:

Основной конструкционный компонент, который называется матрицей.

Усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала, который называется армирующий элементом.

На рисунке 3.4. показаны виды и структуры армирующего элемента в матрице композиционного материала.

Рис. 3.4. Виды и структуры армирующего элемента в матрице: непрерывные волокна (а ), дисперсные частицы (б ), прерывистые волокна (в ); тканевая структура (г ), пространственная структура (д, е )

Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его механических, физических, химических и технологических и эксплуатационных свойств.

К основным механическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:

· Прочность - способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

· Пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения под действием нагрузки.

· Вязкость - способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил.

· Упругость - способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.

· Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела.

· Хрупкость - способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.

Физические свойства - это свойства материала, зависящие от внутреннего строения вещества, его атомно-электронной структуры. К физическим свойствам относятся следующие свойства (рис.3.5).

Химические свойства зависят от химического состава вещества и его атомно-электронного строения. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений и химических превращений.

Рис. 3.5. Основные физические свойства конструкционных материалов

Технологические свойства - это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки и дающие возможность получать заготовки, а из заготовок - детали машин. К технологическим свойствам относят следующие свойства:

· Ковкость – это способность металла подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь.

· Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств.

· Обрабатываемость резанием – это способность металлов и сплавов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента.

· Склонность к термической обработке – способность металлов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств.

· Литейные свойства – определяются способностью материала обладать в расплавленном состоянии технологической жидкотекучестью, обладать минимальной объемной и линейной усадкой при затвердевании.

Эксплуатационные свойства . К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся:

· Жаростойкость и жаропрочность - эти свойства характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре,

· Износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

· Коррозионная стойкость – это свойство характеризует способность металлов сопротивляться коррозии в различных средах.

Контрольные вопросы к лекции 3:

1. Классифицируйте металлические конструкционные материалы.

2. Классифицируйте неметаллические конструкционные материалы.

3. Классифицируйте композиционные конструкционные материалы.

4. Перечислите механические свойства материалов.

5. Перечислите технологические свойства материалов.

6. В чем заключается способность материалов к обработке резанием.

7. В чем заключаются литейные свойства материалов.

8. Охарактеризуйте эксплуатационные свойства материалов

Лекция 4. Основные понятия о металлургических процессах. Производства чугуна.

По масштабам металлургического производства России занимает одно из ведущих мест в мире. Отечественный металлургический комплекс объединяет все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции в виде черных и цветных металлов и их сплавов (рис.4.1).

Рис. 4.1. Структура металлургической отрасли

Для производства металлургической продукции используют следующие исходные материалы (рис.4.2).

Рис.4.2. Исходные материалы металлургического производства

· Руда – это горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения. Руду называют по одному или нескольким металлам, входящим в ее состав, например: железная руда, медно-никелевая руда и т.п. В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные.

Важнейшим этапом в технологической цепи металлургического производства является процесс подготовки руд к плавке.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности оборудования, снижения расхода топлива и улучшения качества продукции. Различают следующие процессы подготовки руды:

1. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

2. Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав. Обогащение включает следующие процессы:

Промывка – это процесс отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы.

Гравитация – это процесс отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы остаются.

Магнитная сепарация – это процесс, когда измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

3. Окусковывание производят для переработки руды в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: - агломерация,

Окатывание.

· Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Для флюсов в металлургии используют следующие материалы, которые подвергают окускованию и вводят в виде агломерата и окатышей (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Материалы для флюсов

· Топливо – это природные или неприродные горючие вещества, выделяющие при сгорании высокую температуру. В металлургии используются следующие виды топлива:

Природный газ,

Доменный газ.

Кокс получают из каменного угля коксующихся сортов. Он служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

· Огнеупоры – это материалы для изготовления внутреннего облицовочного слоя металлургических печей и другого оборудования. Они способны выдержать тепловые нагрузки, противостоять химическому воздействию шлака и печных газов.

Всю продукцию металлургического производства по принципиальной квалификации принято делить на продукцию черной и цветной металлургии.

Черная металлургия представляет собой комплекс предприятий для производства чугуна, стали и проката. Основная продукция чёрной металлургии показана на рисунке 4.4.

Рис. 4.4. Основная продукция чёрной металлургии

· Чугун передельный используется для передела на сталь.

· Чугун литейный используется для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах.

· Ферросплавы – это сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана используются для производства легированных сталей.

· Стальные слитки используются для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, полос, проволоки, листа, труб и т, д) на прокатных производствах

Цветная металлургия представляет собой комплекс предприятий для добычи, обогащения, производства цветных металлов и сплавов.

Рис. 4.5. Основная продукция цветной металлургии

Цветная металлургия акцентирует свое внимание на следующих видах промышленности: медной, никелевой и алюминиевой. Основная продукция цветной металлургии показана на рисунке 4.5.

· Лигатурами называются сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов.

Рассмотрим более подробно технологические процессы производства основного продукта черной металлургии – чугуна.

Чугуном называют сплав железа с углеродом, где углерод содержится в количестве от 2 до 6,7%. Кроме железа и углерода, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора, серы и других элементов. Эти примеси переходят в чугун из исходных материалов.

Основным производством для получения чугунов является доменное производство. Оборудованием для выплавки чугуна служат доменные печи (рис. 4.6). Доменная печь представляет собой высокую шахту круглого сечения, опирающуюся на железобетонный фундамент обычно многогранной формы. Нижняя часть фундамента находится на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона.

Рис. 4.6. Доменное производство для выплавки чугуна: вид снаружи (а ), вид внутри (б ).

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды различными восстановителями.

Восстановление твердым углеродом С называется прямым восстановлением и происходит в нижней части печи при высоких температурах по реакции:

Восстановление газами СО и Н 2 называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь при помощи загрузочных устройств загружают исходные материалы (руда, флюсы, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо (рис. 4.7).

Внутри печи образуется шихта - смесь исходных материалов и топлива. Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Для отвода газа в куполе печи предусмотрены четыре боковых восходящих газоотвода.

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

Шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются вниз печи, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.

Рис. 4.7. Доменная печь и ее процессы

Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Это дает возможность разделить чугун от шлака. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши, и шлаковозные чаши.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная охлаждаемая футеровка.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи. Полезная высота доменной печи (Н ) достигает 35 м, а полезный объем – 2000-5000 м 3 .

Эффективность работы печи оценивается следующими показателями:

· Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО):

КИПО = V / P

где V - полезный объем печи (м 3), а Р - количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства современных доменных печей КИПО = 0,45.

· Удельный расход кокса:

К = А / Р

где А - расход кокса за сутки (тонны), а Р - количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Удельный расход кокса в современных доменных печах составляет 0,35-0,4. Это важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна. Улучшение технико-экономических показателей работы доменных печей является важнейшей задачей доменного производства.

Контрольные вопросы к лекции 4:

1. Перечислите предприятия металлургического комплекса. Как эти предприятия взаимосвязаны между собой

2. Перечислите основную продукцию выпускаемую предприятиями черной металлургии

3. Перечислите основную продукцию выпускаемую предприятиями цветной металлургии

4. Перечислите исходные материалы для металлургического производства

5. Что такое флюсы. Классификация и назначение флюсов.

6. Перечислите основные способы подготовки руды перед плавкой

7. Что является основной и побочной продукцией доменного производства.

8. Что является сырьем для доменного производства.

9. Какие химические реакции происходят при доменной плавке чугуна. В какой последовательности.

10. Какими показателями оценивается эффективность работы доменной печи.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, материалы, предназначенные для изготовления конструкций (деталей машин или механизмов, приборов, сооружений, транспортных средств и др.), воспринимающих механические нагрузки. Конструкционные материалы (в отличие от других технических материалов - оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и пр.) должны иметь высокую конструкционную прочность, обеспечивающую их надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации. К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним (статическим, циклическим и ударным) нагрузкам - прочность, удельная прочность (особенно для конструкционных материалов, используемых в авиа- и ракетостроении), жаропрочность, выносливость и вязкость разрушения (сопротивление материала образованию трещин). В ряде случаев важными характеристиками конструкционных материалов также являются износо-, термо- и коррозионная стойкость, свариваемость, прокаливаемость и др. На механические свойства конструкционных материалов оказывает влияние (преимущественно негативное) рабочая среда, вызывая повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания или изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание металлических конструкций). Конструкционные материалы эксплуатируются в широком температурном диапазоне - от -269 до 2500 °С; для обеспечения работоспособности при высокой температуре материал должен обладать жаропрочностью, при низкой - хладостойкостью. От технологичности конструкционных материалов (их обрабатываемости резанием, давлением, способности к литью и др.) зависит качество изготовления деталей.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и др.); по условиям эксплуатации - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и др.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности и высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Наибольшее распространение среди металлических конструкционных материалов получили конструкционная сталь и чугун. Конструкционные стали характеризуются широким диапазоном предела прочности - 200-3000 МПа; применяются в строительстве, авто-, авиа-, тракторо-, судостроении и др. Предел прочности чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 МПа (чугаль) до 1350 МПа (чугун, легированный магнием). Чугуны широко используются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительной среде, и др. Сплавы на основе цветных металлов также широко применяются в различных областях техники. Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность и жаропрочность до 1000-1100 °С, интерметаллидные сплавы на основе соединения Ni 3 Al - до 1200 °С; применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых и газовых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Алюминиевые сплавы по удельной жёсткости значительно превосходят стали, предел прочности деформируемых сплавов составляет до 750 МПа, литейных - до 550 МПа; служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов и др. Магниевые сплавы отличаются малой плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), имеют предел прочности до 400 МПа и выше; применяются преимущественно в виде литых деталей в конструкциях ЛА, в автомобилестроении, в полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы (предел прочности до 1600 МПа и более) превосходят стали и алюминиевые сплавы по удельной прочности, коррозионной стойкости и жёсткости; служат для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов нефтеперерабатывающей и химической промышленности и др. Циркониевые сплавы, наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, обладают прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; используются в ядерной энергетике для элементов конструкции активной зоны реакторов АЭС. Повышение эксплуатационных свойств металлических конструкционных материалов, получаемых традиционными методами, связано с использованием легированных и нанокристаллических металлических порошков.

Неметаллические конструкционные материалы включают полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стёкла, резины, древесину. Термопласты (полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты), а также реактопласты используются в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе в химически активных: топливах, маслах и др. Стёкла (силикатные, кварцевые, органические) и триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Огнеупоры применяются преимущественно в чёрной и цветной металлургии при изготовлении огнеупорных футеровок в агрегатах, работающих в условиях высоких температур (более 900 °С). Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений. Древесина используется в качестве шпал, крепи для угольной и горнорудной промышленности, для производства строительных конструкций, домов и др.

Композиционные конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости на 50-100% превосходят стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают снижение массы конструкций на 20-50%. Композиционные конструкционные материалы (углепластики, органопластики, органотекстолиты, алюмостеклопластики и др.) широко применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др.

Получение новых конструкционных материалов с улучшенными (по сравнению с традиционными конструкционными материалами) свойствами связано с синтезом материалов с субмикроскопической структурой из элементов, имеющих предельные значения свойств (предельно прочных, тугоплавких, термостабильных), а также с применением специальных методов изготовления (значительно повышающих прочность и долговечность материалов). Например, для металлических конструкционных материалов используется направленная кристаллизация сталей и сплавов для получения литых деталей со столбчатой структурой зёрен, монокристаллических деталей из никелевых сплавов с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений (лопатки газовых турбин); для неметаллических конструкционных материалов применяются методы ориентации линейных макромолекул полимерных материалов, модифицирование наночастицами (фуллеренами, нанотрубками, нановолокнами), создание полимерных нанокомпозитов.

Лит.: Машиностроение: Энциклопедия. М., 2001. Т. 2/3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Ред.-сост. И. Н. Фридляндер; Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. 2-е изд. М., 2007.

Черные металлы

Чугуны

Стали

Возможно вас заинтересует