книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Э.М. Губарева
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ (ЗАГОТОВОК)
МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 621.791 Г93
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Р.А. Мусин (Пермский государственный технический университет);
д-р техн. наук, проф. Г.А. Береснев (Пермский государственный технический университет)
Губарева, Э.М.
Г93 Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 70 с.
ISBN 978-5-88151-934-6
Описаны свойства различных материалов для изготовления деталей машин и конструкций, приведена их классификация и маркировка, указаны области их применения.
Предназначен для студентов немеханических специальностей заочного обучения, изучающих дисциплину «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
УДК 621.791
ISBN 978-5-88151-934-6 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2008 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Конструкционные материалы ................................................................................ |
4 |
|
1. |
Углеродистые стали............................................................................................ |
4 |
|
1.1. Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали............. |
7 |
2. |
Легированные стали и сплавы............................................................................ |
9 |
|
2.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали................................ |
9 |
|
2.2. Конструкционные легированные стали, их маркировка.......................... |
10 |
|
2.3. Рессорно-пружинные стали........................................................................ |
11 |
|
2.4. Шарикоподшипниковые стали................................................................... |
12 |
|
2.5. Инструментальные стали............................................................................ |
13 |
|
2.5.1. Стали для измерительных инструментов........................................ |
14 |
|
2.5.2. Стали для режущих инструментов................................................... |
14 |
|
2.5.3. Инструментальные твердые сплавы................................................ |
16 |
|
2.5.4. Штамповые стали.............................................................................. |
16 |
3. |
Чугуны.................................................................................................................. |
18 |
|
3.1. Свойства и применение чугуна.................................................................. |
19 |
|
3.1.1.Белый чугун ........................................................................................ |
19 |
|
3.1.2. Серый чугун....................................................................................... |
19 |
|
3.1.3. Высокопрочный чугун...................................................................... |
20 |
|
3.1.4. Ковкий чугун...................................................................................... |
21 |
4. |
Стали и сплавы с особыми свойствами............................................................. |
22 |
|
4.1. Нержавеющие стали и сплавы.................................................................... |
22 |
|
4.2. Хромистые нержавеющие стали................................................................ |
22 |
|
4.3. Хромоникелевые нержавеющие стали...................................................... |
23 |
|
4.4. Жаропрочные стали и сплавы .................................................................... |
25 |
|
4.5. Жаропрочные сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов.......... |
26 |
|
4.6. Жаростойкие стали и сплавы...................................................................... |
28 |
|
4.7. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе........................................... |
30 |
5. |
Цветные металлы и сплавы................................................................................ |
31 |
|
5.1. Алюминий и его сплавы ............................................................................. |
31 |
|
5.2. Магний и его сплавы................................................................................... |
34 |
|
5.3. Титан и его сплавы...................................................................................... |
37 |
|
5.4. Медь и ее сплавы......................................................................................... |
38 |
6. |
Неметаллические материалы.............................................................................. |
42 |
|
6.1. Пластмассы .................................................................................................. |
43 |
|
6.2. Резиновые материалы.................................................................................. |
53 |
7. |
Композиционные материалы.............................................................................. |
57 |
|
7.1. Армирующие материалы............................................................................ |
58 |
|
7.2. Материалы матриц ...................................................................................... |
59 |
|
7.3. Свойства композиционных материалов .................................................... |
61 |
8. |
Наноструктурные материалы............................................................................. |
63 |
9. |
Общие принципы выбора материалов............................................................... |
65 |
|
|
3 |
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1. Углеродистые стали
Классификация и маркировка
Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02…2,14 %) с постоянными примесями марганца (до 0,8 %), кремния (до 0,5 %), фосфора(до0,05 %) исеры(до0,05 %). Такую стальназывают углеродистой.
Сталь является основным материалом, широко используемым вмашино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: по содержаниювнихуглерода, назначению, качеству истепени раскисления.
По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами − специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними − в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные − до 0,035 % S и 0,035 % Р; высококачественные − не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные − не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обознача-
ются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 − условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.
4
Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп − кипящая, пс − полуспокойная, сп − спокойная. Например, сталь Ст1кп − сталь кипящая; Ст3сп − спокойная; Ст5пс − полуспокойная и т.д.
К углеродистым качественным конструкционным сталям
предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления качественные стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (например, Сталь 45 содержит
0,45 % С).
Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.
Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.
Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.
Группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергается термической обработке, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 после термической обработки имеют высокую прочность, износостойкость и упру-
5
гие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.
К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Для некоторых инструментальных сталей большое значение имеет теплопроводность, устойчивость против налипания обрабатываемого металла на металл инструмента и др.
Углеродистые инструментальные стали маркируют следую-
щим образом: ставят букву У, затем число, указывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У12 содержит в среднем 1,2 % С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) − буква Ш.
Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые, так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08…0,3 %) ифосфора (0,06 %). Автоматные стали маркируют буквой А и числом, указывающим на среднее содержание углерода всотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, А30. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, А30 используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условияхповышенных напряжений.
К качественным углеродистым инструментальным сталям отно-
сят стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; из них изготовляют несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготовляют из высококачественных инструментальных сталей: У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Это обычно заэвтектоидные стали. Для получения высокой твердости (НRС 60…62) стальные инструменты закаливают в воде с 770…810 °С. Отпуск в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости производитсяпри150…220 °С. Углеродистыесталиявляются дешевыми.
6
Литейные стали. Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства − жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов − недоливов, горячих трещин, усадочных пороков.
Литейные стали (ГОСТ 977−88) маркируют так же, как и качественные деформируемые стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки: 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л. Они содержат до 0,9 % Mn
идо 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р.
Сувеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие свойства:
Марка стали |
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % |
KCU, Дж/см2 |
15Л |
400 |
200 |
24 |
50 |
50Л |
580 |
340 |
11 |
24 |
1.1. Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали
Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаютсяпластичностьивязкость.
Временное сопротивление σв достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре сталивторичногоцементитаснижает еепластичностьипрочность.
Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.
7
Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe−FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. Нагрев сульфидов свыше 800 °С делает сталь хрупкой, и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.
Притемпературегорячейобработки800…1200 °Ссульфидмарганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлениидеформации. Вытянутаяформавключенийсульфидамарганца (сульфиднаястрочечность) увеличиваетанизотропиюсвойствиснижает пластичностьивязкостьсталипримернов2 разапоперекпрокатки, ноне влияетнасвойствавнаправлениивдольпрокатки.
Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.
Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.
Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.
Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.
8
Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.
2.Легированные стали и сплавы
2.1.Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются
Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.
Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.
Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали, способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20 % придает стали кислотоупорность.
Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.
Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.
Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущиесвойстваприповышеннойтемпературе.
Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.
Маркируют легированные стали буквами и числами, указывающими их химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей − в сотых, а для инструментальных и нержавеющих − в десятых долях процента), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует число, указывающее на среднее содержание этого элемента в процентах. Если со-
9
держание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А− азот, К− кобальт, Т− титан, Ю− алюминий, С− кремний, В−вольфрам, Ф− ванадий, Х− хром, Д− медь, Н− никель, Г− марганец, М− молибден, П− фосфор, Р− бор, Ц− цирконий, Ч− редкоземельные металлы, Б− ниобий. Например, сталь марки 12ХН3А содержит 0,12 % углерода, до 1 % хрома, 3 % никеля, буква А вконцеобозначения указывает, чтостальвысококачественная.
Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.
По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе
истроительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента
идр.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (не-
ржавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).
Взависимости от входящих в состав сталей легирующих элемен-
тов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.
По структуре стали в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).
По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на перлитные (малолегированные), мартенситные (среднелегированные) и аустенитные (высоколегированные).
2.2. Конструкционные легированные стали, их маркировка
Легированные конструкционные стали делят на цементуемые,
улучшаемые и высокопрочные.
Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеро-
10