Вопрос 4. материалы применяемые для изготовления деталей машин. методы улучшения их функциональных свойств
Основным машиностроительным материалом является сплав железа и углерода, называемый чугуном или сталью в зависимости от процентного содержания углерода в сплаве.
Чугун содержит углерода свыше 2%. Различают:
Серый чугун. Углерод почти весь в свободном состоянии.
Свойства: жесткость; сравнительно малая прочность; хрупкость ( наибольший коэффициент относительного удлинения); антифрикционные свойства в неответственных, ненапряженных и тихоходных узлах машины; внутреннее трение (способность поглощать энергию при колебаниях); хорошие литейные свойства; относительная дешевизна.
Это основной материал для литых деталей. Он составляет 60…80% от общей массы машины.
Маркировка: СЧ и цифры, соответствующие пределу прочности при растяжении в кгс/мм2, например СЧ15 – 150 МПа, СЧ20 – 200 МПа и т.д. Прочность на изгиб в 1,5…2,2 раза больше, чем указано в маркировке. Модуль упругости Е = (4,5…5,0)∙100∙ , где
- предел прочности, МПа. Обычно Е = 0,9∙105 МПа.
Высокопрочный чугун (чугун, в котором углерод имеет шаровидную структуру).
Предел выносливости почти такой же, как у стали. E = (1,6…1,9)∙105 МПа. Маркировка: ВЧ40, ВЧ35 и т.д.
Белый и отбеленный чугуны. В них углерод находится частично или полностью в связанном состоянии, в виде карбида железа.
Свойства: высокая твердость; необрабатываемость резцом; износостойкость; хрупкость.
Ковкий чугун. Получается отжигом белого чугуна. Ковкий чугун не куется и получается только отливкой. Обладает повышенным коэффициентом относительного удлинения.
Маркировка: КЧ 30-6, где 30 - предел прочности, 300 МПА; 6 ‑ относительное удлинение, %.
Сталь ‑сплав железа с углеродом с содержанием углерода менее 1,6 %.
Свойства: прочность; пластичность; хорошо воспринимает различную термохимическую обработку.
Различают:
Сталь общего назначения следующих разновидностей:
- группа А (гарантируются механические свойства);
- группа Б (гарантируется химический состав);
- группа В (гарантируются механические свойства и химический состав).
Маркировка: ст.3, ст.5 и т.д. Цифра обозначает возрастание прочности за счет увеличения процентного содержания углерода. Кроме того, эти стали разделяют на:
- кипящие (КП) (они на 12% дешевле);
- спокойные (СП).
Сталь качественная конструкционная и легированная эта сталь не менее чем на 25% дороже стали обыкновенной, общего назначения. Различают:
- низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25% (цементируемые );
- среднеуглеродистые (улучшаемые и закаливаемые) с содержанием углерода от 0,25% до 0,6%;
- высокоуглеродистые (закаливаемые) с содержанием углерода больше 0,6%.
Маркировка: сталь 25, сталь 45 и т.п. Здесь цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента.
Легированные стали - это качественная конструкционная сталь с легирующими добавками, которые существенно улучшают свойства стали. В качестве легирующих добавок чаще всего используют никель, хром, марганец и другие металлы.
Маркировка: сталь 40Х, сталь 40ХН и т.п. Здесь буквами X и Н обозначены хром и никель в количестве до 1%.
Настоящий обзор сталей весьма неполный. Машиностроение располагает большим разнообразием сталей для различных целей, имеется много специальных сталей.
Получение нужных свойств стали достигается термообработкой различных видов:
- отжиг - медленное охлаждение (вместе с печью) после нагрева и выдержки, применяют для снижения твердости и повышения обрабатываемости, для снятия остаточных напряжений;
- нормализация - нагрев выше точки фазовых превращений и охлаждение на воздухе, применяют для выравнивания структуры;
- улучшение - закалка с высоким отпуском, получается более высокая прочность и твердость (до 350 НВ);
- закалка - высокая твердость и прочность, получаемые за счет высокой скорости охлаждения;
- отпуск - нагрев ниже температуры фазовых превращений, выдержка, медленное охлаждение, применяют для получения вязких свойств стали, снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости.
Виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, борирование. Эти методы позволяют насытить поверхностные слои детали соответственно углеродом, соединениями азота, бора. Последующая термообработка дает высокие прочностные и износостойкие качества поверхности детали. Глубина этого слоя поверхности - 0,2…1,0 мм.
Сплавы на основе цветных металлов:
Сплав на основе меди:
- латунь - сплав медь-цинк;
- бронза - сплав медь-олово, медь-свинец, медь-алюминий.
Сплавы на основе олова, свинца - баббиты.
Алюминиевые сплавы, плотность = 2,6...2,9 г/см3 (в три раза легче стали):
- силумины (сплавы с кремнием) - хорошо льются.
Маркировка: AЛ2, АЛ4 и т.п., = 170…250 МПа;
- дюралюмины (сплавы с медью и/или марганцем) - это деформируемые сплавы.
Маркировка: Д1, Д16 и др., = 350…430 МПа.
Магниевые сплавы, плотность = 1,8 г/см3, хорошо льются,
= 200…230 МПа,
= 150…180 МПа - предел текучести материала.
Титановые сплавы, = 4,5 г/см3,
= 900…1300 МПа.
Пластмассы, = 1,1 ...2,3 г/см3,
= 60 ...300 МПа.
Большое место в машиностроении занимает резина, особенно армированная.
Особый класс материала ‑ композиты. Оказывается, любое вещество, превращенное в волокно, приобретает невиданную прочность. Такое волокно, как арматура, пронизывает наполнитель из пластика, углерода, алюминия - это и есть композиты, композиционные материалы. Изделия из композитов как минимум в 1,5 раза легче стальных, надежность у них выше в 2...3 раза, а трудоемкость изготовления на 30% ниже. Одна тонна стеклопластика (разновидность композита) заменяет 4…5 т стали.