книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Э.М. Губарева

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ (ЗАГОТОВОК)

МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 621.791 Г93

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Р.А. Мусин (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. Г.А. Береснев (Пермский государственный технический университет)

Губарева, Э.М.

Г93 Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 70 с.

ISBN 978-5-88151-934-6

Описаны свойства различных материалов для изготовления деталей машин и конструкций, приведена их классификация и маркировка, указаны области их применения.

Предназначен для студентов немеханических специальностей заочного обучения, изучающих дисциплину «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

УДК 621.791

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Углеродистые стали

Классификация и маркировка

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02…2,14 %) с постоянными примесями марганца (до 0,8 %), кремния (до 0,5 %), фосфора(до0,05 %) исеры(до0,05 %). Такую стальназывают углеродистой.

Сталь является основным материалом, широко используемым вмашино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: по содержаниювнихуглерода, назначению, качеству истепени раскисления.

По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами − специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними − в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные − до 0,035 % S и 0,035 % Р; высококачественные − не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные − не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обознача-

ются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 − условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.

4

Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп − кипящая, пс − полуспокойная, сп − спокойная. Например, сталь Ст1кп − сталь кипящая; Ст3сп − спокойная; Ст5пс − полуспокойная и т.д.

К углеродистым качественным конструкционным сталям

предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления качественные стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (например, Сталь 45 содержит

0,45 % С).

Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.

Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.

Группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергается термической обработке, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 после термической обработки имеют высокую прочность, износостойкость и упру-

5

гие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.

К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Для некоторых инструментальных сталей большое значение имеет теплопроводность, устойчивость против налипания обрабатываемого металла на металл инструмента и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следую-

щим образом: ставят букву У, затем число, указывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У12 содержит в среднем 1,2 % С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) − буква Ш.

Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые, так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08…0,3 %) ифосфора (0,06 %). Автоматные стали маркируют буквой А и числом, указывающим на среднее содержание углерода всотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, А30. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, А30 используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условияхповышенных напряжений.

К качественным углеродистым инструментальным сталям отно-

сят стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; из них изготовляют несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготовляют из высококачественных инструментальных сталей: У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Это обычно заэвтектоидные стали. Для получения высокой твердости (НRС 60…62) стальные инструменты закаливают в воде с 770…810 °С. Отпуск в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости производитсяпри150…220 °С. Углеродистыесталиявляются дешевыми.

6

Литейные стали. Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства − жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов − недоливов, горячих трещин, усадочных пороков.

Литейные стали (ГОСТ 977−88) маркируют так же, как и качественные деформируемые стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки: 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л. Они содержат до 0,9 % Mn

идо 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р.

Сувеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие свойства:

1.1. Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаютсяпластичностьивязкость.

Временное сопротивление σв достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре сталивторичногоцементитаснижает еепластичностьипрочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

7

Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe−FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. Нагрев сульфидов свыше 800 °С делает сталь хрупкой, и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.

Притемпературегорячейобработки800…1200 °Ссульфидмарганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлениидеформации. Вытянутаяформавключенийсульфидамарганца (сульфиднаястрочечность) увеличиваетанизотропиюсвойствиснижает пластичностьивязкостьсталипримернов2 разапоперекпрокатки, ноне влияетнасвойствавнаправлениивдольпрокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

8

Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

2.Легированные стали и сплавы

2.1.Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются

Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали, способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущиесвойстваприповышеннойтемпературе.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Маркируют легированные стали буквами и числами, указывающими их химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей − в сотых, а для инструментальных и нержавеющих − в десятых долях процента), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует число, указывающее на среднее содержание этого элемента в процентах. Если со-

9

держание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А− азот, К− кобальт, Т− титан, Ю− алюминий, С− кремний, В−вольфрам, Ф− ванадий, Х− хром, Д− медь, Н− никель, Г− марганец, М− молибден, П− фосфор, Р− бор, Ц− цирконий, Ч− редкоземельные металлы, Б− ниобий. Например, сталь марки 12ХН3А содержит 0,12 % углерода, до 1 % хрома, 3 % никеля, буква А вконцеобозначения указывает, чтостальвысококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе

истроительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента

идр.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (не-

ржавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

Взависимости от входящих в состав сталей легирующих элемен-

тов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на перлитные (малолегированные), мартенситные (среднелегированные) и аустенитные (высоколегированные).

2.2. Конструкционные легированные стали, их маркировка

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые,

улучшаемые и высокопрочные.

Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеро-

10