Нагрузки, деформации и разрушения
С. Г. ИВАНОВ
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Омск 2007
УДК 621.86
И 20
ИВАНОВ, С. Г.
Технология конструкционных материалов: учебное пособие / С. Г. Иванов.− Омск : Омский государственный институт сервиса, 2007. − 95 с.
Целью создания данного учебного пособия является изложение в доступной для студентов форме основных сведений по курсу «Технология конструкционных материалов».
В пособии изложены общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам и их механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства; основы теории сплавов; железоуглеродистые сплавы; термическая и химико-термическая обработки сталей; цветные металлы и их сплавы; маркировка чугунов, сталей и сплавов цветных металлов; неметаллические и композиционные материалы. Кратко представлены различные виды обработки материалов: литейное производство; обработка давлением; сварка и пайка; обработка резанием, электрофизические и электрохимические способы обработки, а также экономические проблемы использования материалов.
Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, учебным планом и рабочей программой дисциплины «Технология конструкционных материалов».
Предназначено для студентов специальности 280900 «Конструирование швейных изделий» дневной и заочной форм обучения. Пособие может быть полезно студентам специальности 230700 «Сервис» при изучении дисциплины «Основы функционирования систем сервиса».
УДК 621.86
Библиогр. : 10 назв. Рис. 13. Табл. 1. Словарь терминов. Предм. указ. (в конце)
Рецензент
канд. техн. наук, доцент С. П. Андросов
(Омский государственный технический университет)
© Омский государственный
институт сервиса, 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие. 6
Введение. 7
1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 8
1.1. Механические свойства 8
1.1.1. Нагрузки, деформации и разрушения. 8
1.1.2. Методы механического испытания. 9
1.2. Физико-химические свойства. 14
1.3. Технологические свойства. 14
1.4. Эксплуатационные свойства. 15
Вопросы для самопроверки. 15
2, МЕТАЛЛЫ... 16
2.1. Металлические сплавы.. 16
2.2. Полиморфные превращения в железе. 17
2.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. 18
2.3.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железа с углеродом. 19
2.3.2. Диаграмма железо-цементит. 21
2.4. Основные сведения о производстве чугуна. 24
2.4.1. Материалы для производства чугуна. 24
2.4.2. Устройство доменной. 25
2.4.3. Доменный процесс. 26
2.4.4. Классификация чугунов. 27
2.5. Основные сведения о производстве стали. 30
2.5.1. Конструкционные стали общего назначения. 33
2.5.2. Термическая обработка. 38
2.5.3. Химико-термическая обработка. 39
2.6. Цветные металлы и их сплавы.. 40
2.6.1. Алюминий и его сплавы.. 40
2.6.2. Медь и её сплавы.. 42
2.6.3. Титан и его сплавы. 47
Вопросы для самопроверки. 48
3. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 49
3.1.Пластические массы.. 49
3.1.1.Термопластичные пластмассы. 50
3.1.2. Термореактивные пластмассы.. 52
3.2. Резина. 52
3.3. Композиционные материалы.. 54
3.3.1. Общие представления о композиционных материалах. 54
3.3.2. Область применения композиционных материалах. 56
3.4. Лакокрасочные и склеивающие материалы.. 58
3.4.1. Лакокрасочные материалы.. 58
3.4.2. Склеивающие материалы. 59
Вопросы для самопроверки. 61
4. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ.. 62
4.1. Основы литейного производства. 62
4.1.1 Основные понятия о литейном производстве. 62
4.1.2. Литейные свойства сплавов. 63
4.1.3. Особенности изготовления отливок из различных сплавов. 64
4.2. Основы обработки металлов давлением. 65
4.2.1. Пластическая деформация, её влияние на структуру металла 66
4.2.2. Нагрев металла при обработке давлением. 66
4.2.3. Прокатка. 67
4.2.4. Волочение и прессование. 67
4.2.5. Прессование. 68
4.2.6. Ковка. 69
4.2.7. Штамповка. 70
4.3. Сварка, резка и пайка. 70
4.3.1. Сущность, назначение, область применения и виды сварки. 70
4.3.2. Основные виды сварки плавлением. 72
4.3.3. Основные виды сварки давлением. 75
4.3.4. Термическая резка и пайка металлов. 77
4.4. Обработка металлов резанием. 78
4.4.1. Точение. 78
4.4.2. Сверление. 79
4.4.3. Фрезерование. 80
4.4.4. Строгание и долбление. 80
4.4.5. Протягивание. 81
4.4.6. Шлифование. 81
4.5. Электрофизические и электрохимические способы обработки. 82
4.5.1 Электрофизические способы. 82
4.5.2. Электрохимические способы. 83
Вопросы для самопроверки. 84
5. ВЫБОР МАТЕРИАЛА.. 85
Вопросы для самопроверки. 86
Заключение. 87
Библиографический список. 88
Словарь терминов и определений. 89
Алфавитно-предметный указатель. 94
Предисловие
«Технология конструкционных металлов», наряду с дисциплинами «Теория механизмов и машин», «Сопротивление материалов» и «Детали машин и основы проектирования», входит в цикл общепрофессиональных дисциплин федерального компонента.
Она относится к числу дисциплин, формирующих будущих инженеров-конструкторов как специалистов, способных правильно эксплуатировать имеющееся технологическое оборудования, принимать участие в его модернизации с целью улучшению их технологических возможностей, а также, при необходимости, участвовать в процессе создания нового технологического оборудования.
Без знания основ «Технологии конструкционных материалов» (строения и свойств металлов и их сплавов, их термической обработки, видов неметаллических конструкционных материалов, а также основ технологии литейного производства, обработки давлением, сварки, механической обработки), проектирование (модернизирование) и правильная эксплуатация машин (оборудование) невозможна.
Основной задачей курса является получение студентами знаний:
– о технологических процессах производства различных конструкционных материалов, которые используются при проектировании и изготовлении техники различных отраслей промышленности (строение, свойства металлов и теория их сплавов; термическая и химико-термическая обработки);
– об основных свойствах конструкционных материалов, их достоинствах и недостатках, области их применения в машиностроении,
– об экономических проблемах выборах и направлений экономии материалов.
Знание этой дисциплины в том или ином объёме необходимы любому инженеру-технологу, имеющему дело с оборудованием.
В значительной степени усвоение материала данного курса зависит от знаний студентов, полученных при изучении курса «Химия», (строение вещества, полимеры, резина, клей, смолы, свойства металлов, доменный процесс, выплавка стали).
ВВЕДЕНИЕ
Технология конструкционных материалов представляет собой совокупность современных знаний о способах производства материалов и изготовления изделий различного назначения. Её основные разделы: металлургия, литейное производство, обработка резанием и давлением, сварка и др. Она является частью материаловедения: – науки о связях между составом, строением и свойствами материалов, и их изменений привнешних физико-химических воздействиях.
Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Все материалы по химической основе делятся на две основные группы: металлические и неметаллические.
К металлическим материалам относятся металлы и их сплавы. В свою очередь металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).
Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.
Кроме металлических материалов в промышленности значительное место занимают различные неметаллические – пластмассы, стекло, древесные материалы, композиционные материалы, резина, лакокрасочные и вспомогательные материалы, керамика и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности в качестве конструкционных материалов относительно невелико (около10%) и предсказание того, что неметаллические существенно потеснят металлические, не оправдались.
ОСновные свойства
Конструкционных материалов
Для правильного применения материала необходимо знать его механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства.
Механические свойства
Технологические свойства
К основным технологическим свойствам материала относят:
– обрабатываемость,
– свариваемость,
– литейные свойства.
Под обрабатываемостью понимают способность материала подвергаться обработке резанием и обработке давлением в холодном состоянии, которое характеризуется:
– относительным остаточным удлинением δ,
– относительным остаточным сужением ψ.
Свариваемость определяется способностью материала свариваться различными видами сварки, а также прочностью и пластичностью сварного шва.
Литейные свойства материалов характеризуют их способность образовывать отливки без трещин, раковин и др. дефектов. Основными литейными свойствами является жидкотекучесть, усадка, трещиностойкость, газонасыщение.
Технологические свойстваопределяются при технологических испытаниях (пробах), которые дают качественную оценку пригодности материала к различным способам обработки.
Сплавы, предназначенные для получения деталей литьём, называются литейными. Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давления, называются деформируемыми.
Эксплуатационные свойства
К эксплуатационным свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.
Жаростойкость характеризует способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность – способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.
Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоёв при трении.
Радиационная стойкость – способность материала сопротивляться ядерному облучению.
Выводы.
Конструкционные материалы характеризуются:
1. Механическими свойствами: прочностью, жёсткостью, пластичностью, хрупкостью, ударной вязкостью и выносливостью, которые определяются пределами пропорциональности, упругости, текучести, прочности (временным сопротивлением), относительным остаточным удлинением и относительным остаточным сужением; твёрдостью по Бринеллю и Роквеллу, ударной вязкостью.
2. Физико-механическими свойствами: плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, тепловым расширением, теплоёмкостью, электропроводностью и магнитными свойствами.
3. Технологическими свойствами: обрабатываемостью, свариваемостью и литейными свойствами.
4. Эксплуатационными свойствами: жаростойкостью, жаропрочностью, износотойкостью, радиационной стойкостью.
Вопросы для самопроверки
1. Виды и свойства конструкционных материалов, применяемых в машиностроении.
2. Нагрузки, деформации и разрушения.
3. Основные механические свойства конструкционных материалов.
4. Статические испытания на растяжение.
5. Механические характеристики прочности.
6. Механические характеристики пластичности.
7. Определение твёрдости и ударной вязкости.
8. Физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.
МЕТАЛЛЫ
Металлические сплавы
Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Их использование не всегда экономически выгодно, часто они не отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько необходимых свойств. Их прочность невысока, имеют высокий коэффициент теплового расширения.
Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами.
Сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов. Металлический сплав получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. При этом металлический сплав обладает комплексом характерных металлических свойств. Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами. Компонент, количественно преобладающий в сплаве, называется основным. Сплавы часто называет по основному компоненту: медные, алюминиевые, магниевые и т.д. По числу компонентов различают двухкомпонентные, (двойные) трёхкомпонентные (тройные) четырёхкомпонентные и многокомпонентные сплавы.
Однородная часть сплава, характеризующаяся определённым составом и строением и отделённая от других частей сплава поверхностью раздела, при переходе через которую состав или строение вещества изменяется скачкообразно, называется фазой. Форма, размер и характер взаимного расположения фаз в сплаве определяют его структуру.
Обособленные части сплава, имеющие одинаковые строения с присущими им характерными особенностями, называют структурными составляющими. Структурными составляющими могут быть как фазы, так и смеси фаз.
Строение сплава зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. В расплавленном состоянии, в большинстве случаев, сплавы представляют собой однородные жидкие растворы, то есть смесь компонентов, неограниченно растворяющихся друг в друге. В твёрдом состоянии компоненты могут никак не взаимодействовать, либо взаимодействовать с образованием твёрдого раствора или химического соединения. Поэтому в сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твёрдые растворы, чистые компоненты, химические соединения. По строению в твёрдом состоянии все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твёрдые растворы.
Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к химическому взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решётку. Структура таких механических смесей неоднородна, состоит из отдельных зёрен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависит от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам смеси. Обычно механические смеси образуют металлы, заметно отличающиеся друг от друга по атомному объёму и по температуре плавления. Механические смеси не обязательно состоят из чистых компонентов. Образовывать механические смеси могут также твёрдые растворы и химические соединения.
Химическое соединение образуется, когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решётку, отличную от кристаллических решёток компонентов. Свойства химического соединения резко отличается от свойств образующих его компонентов.
При образовании твёрдого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решётку другого. Твёрдые растворы могут быть твёрдыми растворами замещения и твёрдыми растворами внедрения. Твёрдые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решётки одного компонента атомами второго. Твёрдые растворы внедрения образуются, когда атомы растворённого компонента внедряются в кристаллическую решётку компонента-растворителя. Твёрдый раствор имеет однородную структуру, одну кристаллическую решётку. В отличие от химического соединения твёрдый раствор существует не при строго определённом соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Различают твёрдые растворы с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость возможна только в твёрдых растворах замещения, а ограниченная растворимость бывает как в твёрдых растворах замещения, так и твёрдых растворах внедрения.
Диаграмма железо-цементит
Практическое значение имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67% (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диаграмму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т.е. фактически рассматривается диаграмма железо-цементит (Fe–Fe3C). На рис.2.2 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температура его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.
Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. На ней начинается кристаллизация: на участке АВ – феррита, ВС – аустенита и CD – первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.
Превращения в сталях. Главная роль в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов отводится её левой части – сталям, так как на превращениях, происходящих в стали, основана термическая обработка. Рассмотрим эти превращения. В результате кристаллизации образуется аустенит. При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает превращения, связанные с изменением кристаллической решётки (γ-железа переходит в α-железо), при этом снижается в нём растворимость углерода.
В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре 727º С аустенит полностью распадается, образуется перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной. Её структура состоит из одного перлита. Сталь, содержащую менее 0,8% углерода, называют доэвтектоидной, а сталь с содержанием более 0,8% углерода – заэвтектоидной. Переход чистого железа из модификации γ-железа в α-железо происходит при температуре 911º С. На диаграмме это соответствует точке G. В доэвтектоидных сталях при температурах, лежащих на линии GS, начинается выделение феррита из аустенита. Поэтому при дальнейшем понижении температуры содержание углерода в оставшемся аустените возрастает. Когда она составит 0,8% (при температуре 727º С), оставшийся аустенит перейдёт в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали при полном охлаждении получается структура, состоящая из равномерно распределённых зёрен перлита и феррита. В заэвтектоидной стали на линии SЕ, при понижении температуры из аустенита, пересыщенного углеродом, по границам зёрен начинает выделяться вторичный цементит. Когда в аустените останется 0,8% углерода, он при температуре 727º С перейдёт в перлит. Следовательно, в заэвтектоидной стали при медленном охлаждении получается структура, состоящая из перлита и вторичного цементита. При этом вторичный цементит расположен в тонкой сетке по границам зёрен перлита.
Сплав, содержащий до 0,02% углерода, после завершения всех превращений не имеет в структуре перлита. Такой сплав часто называют техническим железом. Структура технического железа представляет собой зёрна феррита или феррита с небольшим количеством третичного цементита.
Линия GSE диаграммы называется линией верхних критическихточек, или линией начала превращения аустенита (при охлаждении). Линия PSK диаграммы (температура 727º С) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения.
Превращения в чугунах. Точка С (4,3% углерода) представляет собой эвтектическую точку (эвтектикой называют равномерную мелкозернистую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава). Она соответствует температуре 1147º С, при которой кристаллизуется сплав указанного содержания углерода, при этом одновременно выделяются из жидкого сплава кристаллы аустенита и цементита, образуя эвтектическую смесь – ледебурит. Его структура представляет собой равномерную смесь кристаллов аустенита с цементитом. Чугун, содержащий 4,3% углерода, называется эвтектическим. Чугуны, содержащие менее 4,3% С, называются доэвтектическим. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии ВС, с выделением аустенита, и заканчивается при температурах, лежащих на линии ЕС, образованием ледебурита. При дальнейшем понижении температуры растворимость углерода уменьшается и из аустенита начинает выделяться вторичный цементит. Когда углерода в аустените останется 0,8%, при 727º С аустенит переходит в перлит. Таким образом, в доэвтектическом чугуне образуется структура, состоящая из ледебурита, перлита и вторичного цементита.
Чугуны, содержащие более 4,3% углерода, называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии CD. При этом выделяется первичный цементит. Кристаллизация заканчивается при температуре 1147º С по линии CF образованием ледебурита. Получившаяся структура остаётся неизменной. В составе ледебуритной эвтектики при температуре 727º С аустенит переходит в перлит. Структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные режимы кристаллизации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки) режимы термической обработки и т.д.
При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод будет выделяться в виде графита, а не цементита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода в виде графита называются серыми чугунами.
Доменный процесс
Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы:
− восстановление железа из его оксидов;
− превращение железа в чугун и
− шлакообразование.
Эти этапы проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.
Процесс получения чугуна заключается в следующем: шихтовые материалы (железная и марганцевая руды, топливо и флюсы) опускаются вниз, а навстречу им поднимаются газы, образующиеся при горении кокса. Горение начинается в области горна. Через фурменные отверстия раскалённый до температуры 1200º С воздух поступает в печь и на уровне фурм вступает в реакцию с углеродом кокса. При горении образуется углекислый газ и выделяется большое количество тепла:
 |
По мере прохождения газа вверх содержание кислорода уменьшается, и окисление углерода становится неполным. Оно протекает по реакции:
В доменную печь вдувают также пар, который вступает в реакцию с коксом и окисляет его:
Одновременно происходит разложение флюса – известняка по реакции:
Важнейшим периодом доменного процесса является восстановление железа из его оксидов. Оно происходит постепенно по следующей схеме:
Одновременно идёт восстановление железа из оксидов за счёт твёрдого углерода по реакции:
|
Таким образом восстанавливается до 50% шихты. Твёрдый углерод (в виде сажи) откладывается в порах руды и науглероживает железо.
Наряду с процессами восстановления железа происходят реакции восстановления и других элементов шихты: кремния, марганца, фосфора. Марганец восстанавливается из марганцевой руды, специально вводимой в шихту.
В результате восстановления указанных элементов в доменной печи получается сложный сплав железа с углеродом, марганцем, серой и фосфором.
Пустая порода, зола, часть серы, кокса и примеси руды соединяются с флюсами, образуя шлак. Роль шлака в доменном процессе очень велика: от него в значительной степени зависит качество чугуна. Шлак является ценным продуктом доменной плавки. Он используется в строительстве жилых и промышленных зданий, для изготовления цемента, бетона, кирпича, для грунтовки дорог и даже как удобрение.
Основным показателем работы доменной печи является коэффициент использования её полезного объёма (КИПО). Для вычисления КИПО нужно полезный объём печи (м3) разделить на суточную выплавку (т). Этот показатель в среднем составляет (0,5…0,6) м3/т. Прогрессивная технология доменной плавки предусматривает уменьшение КИПО печи, а значит увеличение её производительности.
Классификация чугунов
Теоретически углерода в чугуне содержится от 2,14 до 6,67%. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5%. В качестве примесей чугун содержит кремний, марганец, серу и фосфор.
В зависимости от того, в какой форме углерод находится в чугунах, различают следующие их виды.
Белый чугун. В этом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме железо-цементит.
Серый чугун. В этом чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму (рис.2.4а)
Высокопрочный чугун в своём составе имеет графитные включения шаровидной формы (рис.2.4б).
Ковкий чугун имеет графитные включения в форме хлопьев (рис.2.4в).
Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах составляет не более 0,8%.
Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идёт на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна.
Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьём, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.
Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений.
По металлической основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлитный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твёрдость выше у перлитных, а пластичность – у ферритных.
Серый чугун. Получают серый чугун путём первичной кристаллизации из жидкого сплава. На графитизацию (процесс выделения графита) влияет скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизация не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются соответственно перлитный, феррито-перлитный и ферритный чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Содержание кремния в чугуне 0,5…5%. Марганец и сера препятствуют графитизации, сера ухудшает механические и литейные свойства, фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.
Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. Графитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.
Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающим предел прочности в десятках мегапаскалей. Так, чугун СЧ35 имеет σв=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов СЧ10, СЧ15, СЧ20,…,СЧ45.
Высокопрочный чугун. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого. Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокую прочность и более пластичен, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.
Маркируются высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей. Например, чугун ВЧ60 имеет σв = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.
Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей – зубчатых колёс, валов и др.
Ковкий чугун. Его получают из белого чугуна путём графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950…970ºС. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называется также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720…760ºС) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получиться ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.
Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ45-7 имеет σв = 450 МПа и δ = 7%. Благодаря хлопьевидной форме графитных включений он также характеризуется более высокой прочностью и пластичностью, чем серый чугун. Ферритные ковкие чугуны (КЧ33-8, КЧ37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ50-4, КЧ60-3) более высокую прочность.
Применяют ковкий чугун для изготовления деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Термическая обработка
Термической обработкой (термообработкой) называют процесс теплового воздействия на металлы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов.
Температура нагрева при термообработке определяется по диаграмме железо–углерод [5].
Термообработка включает в себя четыре основных вида: отжиг, закалка, отпуск и старение.
Отжиг – это термообработка, заключающаяся в нагреве, временной выдержке и медленном охлаждении, как правило, с нагревательной печью. Температура нагрева – 1100…1200ºС.
Основными параметрами закалки являются: температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Закалка всегда связана с резким охлаждением, в результате чего внутренние и наружные слои металла охлаждаются с разной скоростью, что приводит к возникновению термических напряжений. Большинство конструкционных сталей при закалке нагревают до температур 800…880ºС. Охлаждающей средой при закалке служат холодные или подогретые вода и масло, водные растворы солей.
Отпуск – это окончательная операция термообработки закалённых сплавов, заключающаяся в нагреве закалённого сплава, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определённой скоростью. Отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения в закалённом сплаве.
Различают три вида отпуска:
– низкотемпературный (180…350ºС), при котором несколько снижаются внутренние напряжения, повышаются прочность и вязкость материала с незначительным снижением твёрдости;
– среднетемпературный (350…500ºС), при котором твёрдость снижается до HRC40…50. Закалённый сплав после этого имеет высокие пределы упругости и выносливости;
– высокотемпературный (500…680ºС), в результате этого отпуска прочность остаётся ещё достаточно высокой, а вязкость резко возрастает.
Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением. Улучшенные стали обладают высокими показателями пределов текучести, выносливости и ударной вязкости. Улучшению, как правило, подвергают среднеуглеродистые стали.
Старение относится к разновидностям термообработки, при которой закалённый сплав с течением времени изменяет свои свойства без заметного изменения микроструктуры, при этом повышается прочность, твёрдость и снижается ударная вязкость.
Старение подразделяют на естественное, протекающее без воздействия температуры, и искусственное, протекающее при воздействии температуры.
Старение повышает прочность, твёрдость, но снижает ударную вязкость многих сталей.
Цветные металлы и их сплавы
Широкое распространение в технике получили цветные металлы и их сплавы. По сравнению с чёрными металлами, цветные имеют ряд ценных свойств, но они значительно дороже. В связи с этим их применяют только в тех случаях, когда по условиям эксплуатации детали не могут быть изготовлены из чёрных металлов.
Наиболее широкое применение в машиностроении находят алюминий, медь, никель, титан, магний, свинец, олово и их сплавы.
Алюминий и его сплавы
Алюминий – один из наиболее лёгких конструкционных материалов. Его плотность – 2,7.г/см3, температура плавления – 658ºС. В отожжённом состоянии алюминий обладает малыми прочностью (σв = 80…120М