Конструкционные материалы и их виды. Свойства и классификация конструкционных материалов. Классификация серых чугунов

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

Конструкционные материалы

материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами К. м. являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества К. м. относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой К. м. стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к К. м., стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к К. м. (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению ≈ с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением К. м., обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию ≈ малому поперечному сечению захвата нейтронов.

К. м. подразделяются: по природе материалов ≈ на металлические, неметаллические и композиционные материалы , сочетающие положительные свойства тех и др. 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.

Отдельные классы К. м., в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Например, металлические сплавы различают: по системам сплавов ≈ алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения ≈ закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу ≈ стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.

Неметаллические К. м. подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Некоторые К. м., например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон , применяются в конструкциях машиностроения.

Технико-экономические параметры К. м. включают: технологические параметры ≈ обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

К металлическим К. м. относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём К. м., используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности ≈ от 200 до 3000 Мн/м2(20≈300 кгс/мм2), пластичность сталей достигает 80%, вязкость ≈ 3 МДж/м2. Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше. Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях ≈ улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 ╟С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2(чугаль) до 1350 Мн/м2 (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000≈1100 ╟С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

К К. м. относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных отраслях техники (см. Бериллиевые сплавы, Медноникелевые сплавы, Молибденовые сплавы).

Неметаллические К. м. включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры), керамику, огнеупоры , стекла , резины, древесину. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы ≈ полистирол , полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. 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.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим К. м., 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 К. м., сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

Т. к. в составе К. м. 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 К. м. связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс композиционных К. м. В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные К. м. по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50≈100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20≈50%.

Наряду с созданием композиционных К. м., имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путём повышения качества К. м. является регламентация структуры традиционных К. м. Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных К. м. является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических К. м. Так, ориентация линейных макромолекул полимерных материалов (ориентация стекол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.

При синтезировании композиционных К. м., создании сплавов и материалов с ориентированной структурой используются достижения материаловедения.

Лит.: Киселев Б. А., Стеклопластики, М., 1961; Конструкционные материалы, т. 1≈ 3, М., 1963≈65; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова и К. И. Портного, М., 1967; Конструкционные свойства пластмасс, пер. с англ., М., 1967; Резина ≈ конструкционный материал современного машиностроения. Сб. ст., М., 1967; Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник, под ред. И. В. Кудрявцева, т. 1≈5, М., 1967≈69; Химушин Ф. Ф., Жаропрочные стали и сплавы, 2 изд., М., 1969; Современные композиционные материалы, пер. с англ., М., 1970; Алюминиевые сплавы. Сб. ст., т. 1≈6, М., 1963-69.

А. Т. Туманов, Н. С. Скляров.

Википедия

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы - материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин , элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов.

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.

Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью.

Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др. Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо, сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.

При конструировании самолетов от конструкционных материалов потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах.

С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах, а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С, выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах (см. Плазмотрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология). Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами, применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы, полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и радиооборудования и др.

Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колес самолетов и автомобилей.

Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы летательных аппаратов используются многослойные конструкции, отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и термической обработки.

В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50- 100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.

Новые уловки телефонных мошенников, на которые может попасться каждый

Конструкционные материалы

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ - основные виды материалов, из которых изготовляются машины, оборудование, приборы, сооружаются каркасы зданий, мосты и другие конструкции и которые несут основную силовую нагрузку при их эксплуатации.

Конструкционные материалы классифицируются по широкому кругу признаков: по применяемости - в машиностроении, в строительстве; по природе образования - металлические, неметаллические, композиционные; по реакции на внешние воздействия - горючие, коррозионно-устойчивые, жаростойкие, хладостойкие; по свойствам, проявляемым при различных методах обработки,- пластичные, тугоплавкие, свариваемые, склонные к образованию трещин, закаливаемые и т. д.; по способам получения - сплавы, прессованные, катаные, тканые, формованные, пленки.

Важными показателями конструкционных материалов являются их прочностные качества - сопротивление сжатию, растяжению, работа на изгиб, выносливость при вибрационных нагрузках, а также ряд специальных свойств, учитываемых при проектировании машин, оборудования, строительных сооружений. Среди них - легкость при определенных прочностных качествах, сопротивляемость износу, электро- и теплопроводность, способность пропускать газы и др.

При выборе конструкционных материалов в процессе проектирования изделий используются их технико-экономические параметры - стоимость, коэффициент использования и трудоемкость в разных условиях обработки и т. п. В современных условиях, когда на первый план выдвинута задача кардинального повышения технического уровня и качества продукции, особенно машин и оборудования, всемерной экономии материальных ресурсов, внедрения ресурсосберегающих технологий, снижения массы конструкций при повышении их надежности, требования к качественным показателям конструкционные материалы резко возросли и усложнились.

Например, необходимы конструкционные материалы легкие и в то же время жаропрочные, сохраняющие прочность как при высоких, так и при низких температурах, пластичные и хорошо выдерживающие ударные нагрузки и т. п. Такие требования обусловили появление ряда новых конструкционных материалов. Перспективными являются сплавы на основе алюминия, титана и особенно магния.

С повышением требований к прочностным свойствам, а также к сохранению этих свойств в различных экстремальных условиях связано новое направление получения конструкционных материалов, а именно синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств - предельно прочные, тугоплавкие, термостабильные и т. д. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются различные волокна, нити, проволоки, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвердые и тугоплавкие соединения, окислы, карбиды, которые составляют либо армировку, либо наполнитель композиционного конструкционного материала.

Подобные конструкционные материалы по определенным показателям могут превышать все известные исходные материалы. Новые прочностные качества конструкционных материалов получаются путем специальной обработки металлов, газотермического напыления металлических порошков и др.

Научно-технический прогресс в машиностроении и строительстве требует дальнейшего улучшения качества всех видов конструкционных материалов и развития технологии их обработки. XXVII съезд КПСС подчеркнул необходимость улучшить структуру и качество конструкционных материалов, исходя из задач создания новой, прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в развитии экономики.

Предусматривается ускоренное развитие производства экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов, расширение номенклатуры продукции, улучшение технико-экономических и повышение прочностных и антикоррозийных характеристик конструкционных материалов. Решение этой задачи имеет особенно важное значение в связи с растущим влиянием конструкционных материалов на ускорение научно-технического прогресса.