Машиностроительные материалы. Свойства металлов

Расчет и проектирование деталей начинаются с выбора материала и назначения режимов обработки его, которые определяются конструктивными (обеспечение надежности), технологическими (вид производства – единичное, серийное, массовое) и экономическими соображениями. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы, а также различные неметалллические материалы.

Металлы и их сплавы являются важнейшими материалами, применяемыми для изготовления различных машин, станков, приборов, инструментов и сооружений.

Характерными признаками металлов является металлический блеск, высокая электропроводность и теплопроводность, а также пластичность, т.е. способность изменять свою форму при обработке давлением.

Технически чистые металлы имеют ограниченное применение в промышленности. Большинство наиболее распространенных металлов в технике применяется в виде металлических сплавов, которые обладают более ценными механическими, технологическими и другими свойствами, чем чистые металлы.

Свойства металлов подразделяются на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов. К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение и др.

Плотность – количество вещества, содержащееся в единице объема.

Плавление – способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Теплопроводность – способность металла с той или иной скоростью проводить тепло.

Электропроводность – способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение – способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Химические свойства металлов.Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.

Окисляемость – способность металла вступать в реакцию с кислородом под воздействием окислителей.

Коррозионная стойкость – способность металла сопротивляться коррозии.

Механические свойства металлов. К механическим свойствам металлов относят твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность.

Твердость – способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.

Прочность – способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Вязкость - способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.

Упругость - способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.

Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменить свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.

Технологические свойства металлов. Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным видам обработки. Основными технологическими свойствами металлов являются ковкость, свариваемость, жидкотекучесть, прокаливаемость, обработка резанием.

Ковкость – способность металла изменять свою форму в нагретом или холодном состоянии под действием внешних сил.

Свариваемость – способность двух частей металла при нагревании прочно соединяться друг с другом.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла легко растекаться и хорошо заполнять форму.

Прокаливаемость – способность металла закаливаться на ту или иную глубину.

Обрабатываемость резанием – способность металла подвергаться механической обработке режущим инструментом с определенной скоростью и усилием резания.

Металлы и сплавы делятся на черные и цветные. К черным относят железо и славы на его основе (сталь, чугун и т.д.), к цветным – все остальные металлы и сплавы.

Правильный выбор конструктором материалов для изготовления машины и отдельных ее частей определяет качество будущей разработки и оптимальные технико-экономические показатели.

Черные металлы

К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, фосфор, марганец, сера и другие элементы.

Чугун – нековкий, железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор, сера.

Он обладает высокими литейными свойствами, определившими область его использования в качестве конструкционного материала. Хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида или цементита. Чугуны в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100 – 1200⁰С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.

Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются резанием и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.

Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950 – 1000⁰С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.

Для повышения прочности чугуны легируют, т.е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют к ним магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).

Наибольшее применение получили чугуны следующих марок:

- отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412-79);

- отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КС37-12 и др. (ГОСТ 1215-79).

Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ – серый чугун, КЧ - ковкий чугун. Цифры после у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.

Сталь – сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами.

Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.

Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.

Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:

- по химическому составу – углеродистая, легированная;

- по качеству – сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;

- по назначению – конструкционная, инструментальная.

Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.

В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.

Углеродистые конструкционные стали делятся на обыкновенного качества (ГОСТ 380-78) и качественные (ГОСТ 1050-74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Стали обыкновенного качества маркируют буквами СТ (сталь) и цифрами 1, 2, 3, …,6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода. В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:

- группа А – стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп и др.);

- группа Б – стали, поставляемые с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);

- группа В – стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5),

Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).

Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой. Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготавливают оси, валы, зубчатые колеса и другие детали. Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.

Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т.д.

Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т.д. Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).

В состав легированной стали кроме углерода входят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др. В зависимости от вводимых легирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.

Легирующие элементы придают стали, в зависимости от ее назначения, необходимые свойства.

Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0.8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.

Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%).

По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяются на конструкционную и инструментальную.

Легирующие элементы, введенные в состав стали, согласно стандарту, имеют следующие обозначения : Х – хром, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Г – марганец, Т – титан, С – кремний, Н – никель, Д – медь, Ю – алюминий, Р – бор, А – азот. Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.

Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – легирующие элементы, последующие за буквами цифры - содержание в процентах этих элементов в стали. Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома; 12ХН3А хромоникелевую сталь, содержащую около 0,12% углерода, 1% хрома и 3% никеля и т.д.

Из конструкционной легированной стали изготавливают ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.

К конструкционным легированным сталям относятся: хромистая (15Х, 20Х, 30Х, и др.), хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФА), хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС), хромоникелевая (12ХН2, 12ХН3А и др.).

Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает большой износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200 – 250⁰С.

Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее: сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок, метчиков; стали 11Х и 13Х – для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВГ – для длинных метчиков, разверток и других инструментов.

Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства. Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах. Основные марки быстрорежущих сталей – Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р9К5.

Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы широко применяются в промышленности, несмотря на сравнительно высокую их стоимость. К цветным металлам относятся: медь, алюминий, магний и др.

Медь - металл красноватого цвета, плотность 8,93 г/см³, температураплавления 1083°С. Наиболее ценные свойства меди - высокая электропроводность, пластичность, теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость. Медь широко применяется в электропромышленности, а также для получения различных сплавов, используемых в машиностроении.

Основные марки меди: М00, МО, М1, М2, МЗ, М4.

Алюминий - легкий серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 658 °С. Он обладает высокой электропроводностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, поддается обработке давлением и прокатывается в тонкую фольгу. Алюминий служит для изготовления электропроводов, посуды, фольги, а также получения многих сплавов, применяемых в промышленности. В чистом виде алюминий используется мало, так как он имеет невысокие механические свойства. Основные марки алюминия: А999, А995, А99, А97, А95.

Магний - блестящий белый металл, плотность 17,4 г/см³, температура плавления 650°С. Магний употребляется для получения легких сплавов, обладающих высокими механическими свойствами (сплавы с алюминием, марганцем, цинком). Основные марки магния: Мг1, Мг2.

Цветные сплавы.Как уже было сказано ранее, цветные металлы (медь, алюминий, магний и пр.) в чистом виде имеют ограниченное применение. Для улучшения их механических, технологических и других свойств из цветных металлов готовят различные цветные сплавы: латуни, бронзы, алюминиевые и др.

Наиболее распространенными в промышленности сплавами цветных металлов являются следующие.

Латунь - сплав меди с цинком. По сравнению с чистой медью она имеет повышенную прочность, пластичность и твердость, а также обладает большей коррозионной стойкостью и жидкотекучестью. Латунь служит для изготовления листов, проволоки, литой и штампованной арматуры, посуды и т. д.

Основные виды латуни: литейные (для фасонного литья) и обрабатываемые давлением. Латунь обозначается буквой Л и цифрой, указывающей процент содержания меди в сплаве. Например, марка латуни Л62 обозначает, что в ней содержится около 62% меди.

Наряду с простой применяется также специальная латунь, в состав которой входят железо, марганец, никель, олово и др. По прочности некоторые латуни не уступают углеродистой стали.

Специальная латунь кроме буквы Л маркируется условными обозначениями легирующих элементов: Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, К – кремний, С —свинец. Количество элементов указывается цифрами. Например, марка ЛС59-1 обозначает свинцовисту латунь, в которой содержится 59% меди, 40% цинка и 1% свинца.

Наиболее часто употребляются простые латуни Л62, Л68 и специальные ЛМц58, ЛС59-1, ЛО62-1 и др.

Бронза - сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и высокими антифрикционными свойствами. В зависимости от легирующих элементов, входящих в сплав, бронзы делят на оловянные, алюминиевые, марганцевые, кремниевые, свинцовые и др.

Оловянная бронза имеет повышенную коррозионную стойкость, жидкотекучесть и обладает хорошим антифрикционными свойствами. Она применяется в основном для отливки подшипников и других подобных дета лей и обозначается буквами БрО с цифрами, указывающими содержание в ней олова в процентах. Основные марки оловянной бронзы: БрО10 БрО14, БрО20.

А л ю м и н и е в а я бронза по сравнению с оловянной имеет большую пластичность, коррозионную стойкость и лучше сопротивляется износу, но обладает более низкими литейными свойствами.

Добавление в алюминиевую бронзу железа, никеля и марганца повышает ее коррозионную стойкость и механические свойства. Такая бронза используется для изготовления фасонного литья, арматуры, зубчатых колес и других деталей. Основные марки алюминиевой бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4-4.

М а р г а н ц е в а я бронза обладает высокой пластичностью, хорошо сопротивляется коррозии, но имеет сравнительно невысокие механические свойства и служит в основном для изготовления паровой арматуры. Основной маркой, марганцевой бронзы является БрМц5.

К р е м н и е в а я бронза характеризуется высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами. Для увеличения коррозионной стойкости в нее добавляют марганец, а для улучшения антифрикционных свойств - свинец. Из кремниевой бронзы изготовляют пружинящие контакты, проволоку и т. д. Наиболее распространена бронза марки БрКМцЗ-1.

Б е р и л л и е в а я бронза обладает высокой упругостью, износоустойчивостью и твердостью. Бронза марки БрБ2 употребляется для изготовления пружин, износоустойчивых деталей и т. д.

Бронзы маркируются следующим образом: Бр – бронза, последующие буквы обозначают легирующие элементы, цифры - процентный состав олова и других элементов. Например, марка БрОЦС-5-5—5 обозначает, что в бронзе содержится 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное медь.

С и л у м и н - сплав алюминия с кремнием, обладает хорошими литейными свойствами и широко применяется для всевозможных отливок. По сравнению с алюминием имеет лучшие механические свойства и повышенную плотность. Основные марки силумина: АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ9.

Д ю р а л ю м и н - сплав алюминия с медью, магнием и марганцем, Медь и магний при термической обработке увеличивают прочность сплава, а марганец - твердость и коррозионную стойкость. Дюралюмин подвергают терми-ческой обработке для повышения его механических свойств, которые при этом приближаются к свойствам среднеуглеродистой стали. Особенно распространен этот сплав в авиационной промышленности. Основные марки дюралю-мина: Д1, Д6, Д16, Д18.

М а г н и е в ы е сплавы - сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем и другими элементами. Литейные свойства магниевых сплавов ниже алюминиевых, однако благодаря своей малой плотности они часто применяются в авиастроении, радиопромышленности и т. д. Прочность магниевых сплавов может быть повышена путем термической обработки. Основные марки магниевых сплавов: МЛ4, МЛ5.

Твердые сплавы.Твердые сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки металлов с высокими скоростями резания (от 100 до 1200 м/мин и более). Твердые сплавы получают спеканием порошков вольфрама, титана, кобальта и угля при температуре 1500—1550°С. Пластинки из твердого сплава обладают твердостью НRА87 - 90, малой теплопроводностью и низким коэффициентом расширения при нагреве.

Твердые сплавы вольфрамовой группы предназначены для обработки хрупких материалов, например чугуна, бронзы и других металлов. Сплавы этой группы обозначаются буквой В: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК11 и др. (2 -11% кобальта и остальное - карбиды вольфрама). В настоящее время находят широкое применение твердые сплавы с более мелкозернистой структурой - ВКЗМ, ВК6М, ВК8М. Твердые сплавы вольфрамо-титановой группы применяются для обработки стали и обозначаются буквой Т - Т15К10, Т15К6, Т14К8, Т15К6Т, ТЗОК4, Т60К6 и др. (5 - 60% карбидов титана, 6 - 10% кобальта, остальное - карбиды вольфрама).

Введение карбида тантала в твердые сплавы увеличивает сопротивление к трещинообразованию при резких сменах температуры, и прерывистом резании, повышает стойкость и позволяет применять скорости резания в 1,5 - 2 раза выше, чем при использовании инструментов и обычных сплавов. К титано-тантало-вольфрамовой группе относятся марки сплавов ТТ7К12, ТТ7К15, Т5К12В и др.

Минералокерамические твердые сплавы обладают твердостью НRА 92 - 93 и сохраняют режущие свойства при температуре до 1200°С. Этот инструментальный материал не содержит таких дефицитных и дорогостоящих материалов, как вольфрам, кобальт и титан. Его основой является спеченная окись алюминия. Из минералокерамики изготовляют пластинки двух марок: ТВ-48 (термокорунд) и ЦМ-332 (микромит), которые также применяются при различных видах обработки, где используется инструмент с механическим креплением пластинок.