Глава 2. Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении

и приборостроении

Лекция 4. Понятие о внутреннем строении металлов и сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кри-

сталлические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в

определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую

структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение

атомов называется кристаллической решеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, об-

разованный минимальным количеством атомов, многократное повторение ко-

торого в пространстве по трем непараллельным направлениям позволяет вос-

произвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий осо-

бенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой.

Для ее описания используют шесть величин: три ребра ячейки а, b, с и три угла

между ними α, β, γ. Эти величины называются параметрами элементарной

ячейки.

Поскольку атомы стремятся занять наименьший объем, существуют всего

14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической

системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие

типы решеток:

– объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в вер-

шинах и в центре куба; такую решетку имеют Nа, V, Nb, Feα, К, Сг, W и другие

металлы;

– гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположены в вершинах

куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Рв, А1, Ni, Аg, Аu,

Сu, Со, Feγ и другие металлы;

– гексагональная плотно упакованная (ГПУ) – четырнадцать атомов распо-

ложены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в

средней плоскости призмы; такую решетку имеют Мg, Ti, Rе, Zn, Hf, Ве, Са и

другие металлы (рис.1).

Рис. 1. Кристаллическое строение металлов: а – схема кристаллической решетки;

б – объемно-центрированная кубическая; в – гранецентрированная кубическая;

г – гексагональная плотно упакованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные парамет-

ры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними па-

раллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке ре-

шетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 109

см) и для большинства метал-

лов лежит в пределах 0,1 ...0,7 нм.

Координационное число показывает количество атомов, находящихся на

наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Для ГЦК решетки координационное число равно 12, ОЦК-8, ГПУ-12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну

элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки прихо-

дятся два атома: один, находящийся в центре куба 1 принадлежащий только

данной ячейке, и второй — как сумма долей, которую вносят атомы, располо-

женные в вершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопряжен-

ным элементарным ячейкам (8/8=1). Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно

4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки η определя-

ется отношением объема, занимаемого атомами, Vs, ко всем объему элементар-

ной ячейки решетки Vр:

η = Vs / Vр .

Плотность упаковки ηоцк

=

0,68, ηгцк | = 0,74, ηгпу= 0,74.

Рассматривая модель кристаллической решетки ( см. рис. 1.1) , можно за-

метить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинакова. По этой

причине свойства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных приложений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависят от направления, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что временное сопротивление σв изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение σ —10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими веществами, со-

стоящими из множества мелких (10... 10~5

см) различно ориентированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.

Дефекты строения реальных кристаллов. Существующие в природе

кристаллы, которые получили название реальных, не обладают совершенной

атомно-кристаллической структурой. Их решетки имеют различного рода де-

фекты, т. е. отклонения от правильного периодического расположения атомов.

Дефекты кристаллического строения с учетом их пространственного измерения

подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхно-

стные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кри-

сталлической решетки, размеры которых по всем трем пространственным ко-

ординатам соизмеримы с размером атома. К точечным дефектам относятся :

– междоузельные или дислоцированные атомы, вышедшие из положения

равновесия и перемещенные в позицию между узлами решетки;

– вакансии или пустые узлы кристаллической решетки;

– примесные атомы ( рис.2 а).

Рис.2. Дефекты кристаллического строения:

а — точечные (1 — дислоцированный атом; 2 — вакансия; 3 — примесный

атом внедрения); б — линейные (τ — вектор сдвига); в — поверхностные

( α—угол разориентировки субзерен)

Линейные дефекты, или дислокации – это линии, вдоль и вблизи кото-

рых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей

кристалла. Так называемые краевые (линейные) дислокации возникают вследст-

вие появления в кристалле неполной атомной плоскости, которая называется

экстраплоскостью (плоскость ABED на рис. 2 б) . Линия АD, т. е. край экстра-

плоскости, и будет краевой дислокацией. Длина дислокаций может достигать

размера всего кристалла, в поперечном же сечении размеры дефекта невелики и

не превышают нескольких межатомных расстояний.

Образование дислокаций происходит обычно в процессе первичной кри-

сталлизации. Однако при пластической деформации, термической обработке и

других процессах плотность дислокаций может существенно изменяться, ока-

зывая очень сильное влияние на механические свойства металлов и сплавов.

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле –

сдвиг (рис 2 б) . Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней

на одно межатомное расстояние и зафиксировать положение, когда сдвиг охва-

тил не всю плоскость скольжения, а только ее часть АDCF, то граница АD меж-

ду участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольже-

ния, в котором скольжение еще не произошло, и будет линейной дислокацией.

Поверхностные дефекты (рис 2 в) представляют собой поверхности

раздела (границы) между отдельными зернами и субзернами в поликристалли-

ческом металле. Зерна разориентированы, повернуты относительно друг друга

на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакан-

сии, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. К

поверхностным дефектам относятся двойники (симметрично переориентиро-

ванные области кристаллической решетки) и дефекты упаковки (локальные

изменения расположения плотно упакованных плоскостей в кристалле).

Объемные дефекты представляют собой поры, макротрещины и другие

подобные несплошности металла.

Процесс кристаллизации металлов. Кристаллизация обусловлена

стремлением системы при определенных условиях перейти к энергетически бо-

лее устойчивому состоянию, с меньшей свободной энергией F. На рис. 3 пока-

зана зависимость изменения свободной энергии для жидкой и твердой фаз от

изменения температуры системы. Меньшей свободной энергией вещество в

жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом – ниже теоре-

тической температуры плавления (точка Тs). В реальных условиях процесс

кристаллизации не может начаться при температуре Ts, так как при данной

температуре система находится в состоянии равновесия (Fж = FТ) . Для того

чтобы процесс кристаллизации начался, жидкость необходимо охладить ниже

точки ТS. Температура, при которой реально начинается процесс кристаллиза-

ции, называется фактической температурой кристаллизации (Tкр). Разность

между теоретической температурой ТS и реальной температурой Ткр, при кото-

рой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения системы

ΔТ. При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при

определенной степени перегрева системы ΔТ .

Рис. 3. Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fж)

и твердом (Fт) состояниях в зависимости от температуры Т

Выделяют два вида кристаллизации:

– первичная — переход металла из жидкого состояния в твердое с образовани-

ем кристаллической структуры;

– вторичная — образование новых кристаллов в твердом кристаллическом ве-

ществе.

Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью тер-

мического анализа, суть которого заключается в регистрации температуры сис-

темы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 4 а) с рас-

плавленным металлом погружают термоэлектрический термометр (термопару)

2, подключенный к регистрирующему потенциометру 3. На основании полу-

ченных данных в координатах температура – время строят кривую охлаждения

(рис. 4 б), которая отражает последовательность протекания процесса кристал-

лизации.

Рис. 4. Кристаллизация металлов:

а — схема установки для регистрации процесса; б — кривая охлаждения и схема

процесса кристаллизации (L — жидкое состояние, α — твердое состояние)

На рис.5 приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с

различной скоростью охлаждения.

Рис. 5. Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации:

а — кривые охлаждения чистого металла; б — влияние степени переохлаждения ΔТ

на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры

жидкого металла. При температуре, соответствующей горизонтальному участ-

ку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой

теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в

течение всего времени, необходимого для завершения процесса. Нижний уча-

сток кривой соответствует охлаждению закристаллизовавшегося металла. Тон-

кой горизонтальной линией на диаграмме показано значение теоретической

температуры кристаллизации Тs . Из рис. 5 видно, что по мере увеличения ско-

рости охлаждения (V1 < V2 < V3) степень переохлаждения расплава возрастает и

кристаллизация начинается при более низких температурах. Период кристалли-

зации при этом сокращаетсяОсновы теории кристаллизации были разработаны

более 100 лет назад основоположником науки о металлах – металловедения –

Д.К. Черновым, который установил, что кристаллизация состоит из двух про-

цессов: зарождения мельчайших частиц твердого вещества, называемых заро-

дышами, или центрами кристаллизации, и роста кристаллов из этих центров.

При охлаждении металла ниже Тs в различных участках жидкого металла обра-

зуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. С пониже-

нием температуры расплава количество зародышей возрастает. В реальных ус-

ловиях центры кристаллизации образуются на тугоплавких неметаллических

включениях.

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присое-

диняются все новые атомы жидкого металла. Сначала образовавшиеся кристал-

лы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столк-

новении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост про-

должается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кри-

сталлы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы назы-

ваются зернами. Размер зерен зависит от скорости зарождения центров кри-

сталлизации (СЗ) и скорости роста кристаллов (СР). На рис. 5, б показана зави-

симость этих параметров от степени переохлаждения расплава.

Сплавы. Существование разных типов кристаллических решеток у одно-

го и того же вещества при различных температуре и давлении называется поли-

морфизмом, или аллотропией, а процесс перехода из одной кристаллической

формы в другую — полиморфным, или аллотропическим, превращением. Ряд

элементов — Со, Тi, Мn, Sn, Са, Li, Fе и др. имеют два и более типа (модифи-

кации) кристаллических решеток, обозначаемых малыми буквами греческого

алфавита (α, β,γ), и начиная с той формы, которая существует при наиболее

низкой температуре. Процесс перехода из одной формы в другую определяется

термодинамическим состоянием системы и объясняется тем, что, начиная с оп-

ределенной температуры (температуры перекристаллизации), новая модифика-

ция обладает меньшим запасом энергии, чем предыдущая, и является энергети-

чески более устойчивой. Температура, при которой осуществляется переход из

одной модификации в другую, называется температурой полиморфного пре-

вращения. Новые полиморфные формы образуются в результате зарождения

центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

На рис.6 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, харак-

теризующие его полиморфные превращения.

Рис.6. Кривые охлаждения и нагрева железа

При температурах ниже 911° С и выше 1392 °С железо имеет объемно-

центрированную кубическую решетку и обозначается Feα. При температурах 911... 1392 °С оно имеет гранецентрированную кубическую решетку и обозначается Feγ .Высокотемпературную модификацию Fеα иногда обозначают Feδ.

При температуре 768 °С (точка Кюри) происходит изменение магнитных

свойств железа: ниже 768 °С оно магнитно, выше — немагнитно (немагнитное

α-железо иногда называют β-железом).

В машиностроении чистые металлы не находят широкого применения,

так как в большинстве случаев они не обеспечивают требуемого комплекса ме-

ханических и технологических свойств. Чаще используют металлические спла-

вы — вещества, состоящие из двух и более элементов. Элементы, из которых

образован сплав, называют его компонентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полно-

стью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в кото-

ром атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом. При

кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, от характера

которого зависит их строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы,

химические соединения и механические смеси.

Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более

компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую решетку, является

растворителем, а другой (или другие) распределяется в кристаллической ре-

шетке растворителя, не изменяя ее типа.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет

совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру

чистого металла. В зависимости от характера распределения атомов растворен-

ного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые

растворы замещения внедрения. Растворимость в твердом состоянии может

быть неограниченной и ограниченной. При неограниченной растворимости

возможна любая концентрация (от 0 до 100 %) растворенного вещества (при

концентрации более 50 % растворенное вещество становится растворителем).

Для образования твердых растворов замещения с неограниченной растворимо-

стью необходимо соблюдение следующих условий:

- изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых

компонентов;

- близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться

больше чем на 8... 13 %;

- близость физико-химических свойств компонентов.

Если два компонента сплава не отвечают перечисленным выше условиям, то

они могут растворяться друг в друге лишь ограниченно.

В реальных сплавах чаше наблюдаются твердые растворы с ограниченной рас-

творимостью.

Химическим соединением называют вещество, характерными особенно-

стями которого являются:

-постоянство состава, выраженное формулой, которая отвечает определен-

ному соотношению количеств атомов компонентов А и Б в нем;

- наличие нового типа кристаллической решетки, отличающегося от типов

решеток сплавляемых компонентов;

- ярко выраженное существенное изменение всех свойств.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются

между компонентами, имеющими различия в электронном строении атомов.

Механическая смесь образуется, когда компоненты сплава не способны к

взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую ре-

акцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфаз-

ная структура сплава, представленная чередующимися зернами чистых компо-

нентов Л и В.

При изучении явлений, протекающих в металлах и сплавах в процессе их пре-

вращений, пользуются понятиями «система», «фаза», «компонент».

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при

определенных внешних условиях (температура, давление). Система может быть

простой, если она состоит из одного элемента, и сложной — из нескольких

элементов.

Фазой называется однородная по химическому составу и внутреннему

строению часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела.

Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химиче-

ские соединения. Однофазной системой является, например, однородная жид-

кость, двухфазной — механическая смесь кристаллов двух металлов.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Ком-

понентами могут быть химические элементы (металлы и неметаллы) или ус-

тойчивые химические соединения.

Лекция 5. Основные свойства металлов и сплавов

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств,

которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические

и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят проч-

ность, твердость, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность и

твердость. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформа-

цию. Напряжение – это сила, отнесенная к площади поперечного сечения, МПа.

Деформация – это изменение формы и размеров тела под влиянием воздейст-

вия внешних сил или в результате процессов, возникающих в самом теле (на-

пример, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упру-

гая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после

снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в

пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение

тела.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться деформации

или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Проч-

ность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов,

изготовленных из исследуемого материала. 34

Для определения прочности при статических нагрузках образцы испыты-

вают на растяжение, сжатие, изгиб, и кручение. Испытание на растяжение обяза-

тельны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопро-

тивлением и пределом текучести; временное сопротивление — это условное

напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разру-

шению образца; предел текучести— это напряжение, при котором начинается

пластическое течение металла.

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испыта-

ний: на ударную вязкость (разрушению ударом стандартного образца на копре),

на усталостную прочность (определению способности материала выдерживать,

не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок), на ползучесть

(определение способности нагретого материала медленно и непрерывно де-

формироваться при постоянных нагрузках). Наиболее часто применяют испы-

тания на ударную вязкость.

Пластичность — это способность материала получать остаточное изме-

нение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относи-

тельным удлинением при разрыве, %.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него

другого, не получающего остаточных деформаций тела. Значение твердости и ее

размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода

измерения. Значения твердости, определенные различными методами, пересчи-

тывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бри-

неллю (НВ, МПа) определяют из отношения нагрузки Р, приложенной к шари-

ку, к площади поверхности полученного отпечатка шарика F отп : HB=P/Fотп.

Ударная вязкость – способность металлов и сплавов оказывать сопротивле-

ние действию ударных нагрузок.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плав-

ления, плотность, температурные коэффициенты линейного и объемного рас-

ширения, электросопротивление и электропроводимость.

Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

К химическим свойствам относят способность к химическому взаимодей-

ствию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства.

Способность материала подвергаться различным методам горячей и хо-

лодной обработки определяют по его технологическим свойствам.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свой-

ства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инстру-

ментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и

получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла

или сплава к заполнению литейной формы, степенью химической неоднородно-

сти по сечению полученной отливки, а также величиной усадки– сокращением

размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Деформируемость – это способность принимать необходимую форму под

влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении

нагрузке.

Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать не-

разъемные соединения требуемого качества.

Обрабатываемостью называют свойства металлов поддаваться обработ-

ке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и каче-

ство поверхностного слоя.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конст-

рукции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство

только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необхо-

димым требованиям.

Современное автоматизированное производство, оснащенное гибкими

системами управления, нередко предъявляет к технологическим свойствам ма-

териала особые требования, которые должны позволять осуществлять ком-

плексный технологический процесс на всех стадиях получения изделия с за-

данным ритмом: например, проведение сварки на больших скоростях, уско-

ренный темп охлаждения отливок, обработка резанием на повышенных режи-

мах и т. п. при обеспечении необходимого условия - высокого качества полу-

чаемой продукции.

К эксплуатационным свойствам в зависимости от условия работы ма-

шины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость,

хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность материала

и др.

Износостойкость – это способность материала сопротивляться поверхно-

стному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессив-

ных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства

при температурах ниже 0 градусов по Цельсию.

Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства

при высоких температурах.

Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому

сплаву.

Эти свойства определяются в зависимости от условия работы машин или

конструкций специальными испытаниями.

Лекция 6. Стали. Чугуны. Цветные металлы и сплавы

Стали. Специальные стали—это сплавы на основе железа отличающиеся

от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим

составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. В

большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально

введенные в сталь для получения требуемого строения и физико-химических и

механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Мп, Si, Cr. Ni,

Mo, W, Со, Си, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. B некоторых сталях легирующими элемен-

тами могут быть также: Р, S, N, Se. Те, Рв, Се и др. Перечисленные элементы и

Н, О, Sn, Sb, As могут быть также примесями в стали. Содержание легирую-

щих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до де-

сятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали

в процессе ее производства как технологические добавки или как составляю-

щие шихтовых материалов.

Легированные стали — это сплавы на основе железа, в химический со-

став которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие

при определенных способах производства и обработки требуемую структуру

и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем

содержание этих же элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать су-

щественное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в со-

тых долях процента, (В — в тысячных долях процента). Такие стали иногда

называют микро легированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали бо-

лее широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям,

кроме легированных, могут относиться и углеродистые стали, если им прида-

ны специальные свойства посредством определенных способов производства

и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые

стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные,

инструментальные, термически упрочненные, для холодной штамповки и др.

Классификация сталей. По химическому составу стали и сплавы чер-

ных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) ста-

ли, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные ста-

ли, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих

элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламенти-

рованных для примесей соответствующими стандартами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих эле-

ментов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных – от

2,5 до 10%, в высоколегированных – более 10 % при содержании в них железа

не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количест-

во больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали

называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а так-

же хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, никель-

молибденовыми,хромоникельмолибденовыми, хромокремнемарганцовонике-

левыми и т. п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные,

инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготов-

ления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машинострое-

нии и строительстве и обладающая определенными механическими, физиче-

скими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машинострои-

тельные и стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаро-

прочные, жаростойкие, коррозионностойкие и т. д.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обра-

ботки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердо-

стью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств. Инструмен-

тальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые

стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделе-

ния сталей как по назначению, так и по свойствам. Классификация сталей по

структуре в значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии делят на доэвтектоид-

ные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по

отношению к его содержанию в углеродистой стали. Поэтому в зависимости

от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может

быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифициру-

ют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воз-

духе образцов небольших размеров после высокотемпературного нагрева

(~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на

перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенит-

ные. Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низ-

колегированными, мартенситные - легированными и высоколегированными, а

ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированными. Однако такая

связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наря-

ду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы: феррито-

перлитный, феррито-мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-

мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 %

второй фазы (как второй структурной составляющей).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, ка-

чественные, высококачественные, особовысококачественные. Главными каче-

ственными признаками стали являются более жесткие требования по химиче- 38

скому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как

фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы (не

более), в сталях разной категории качества:

Не более Р, % S. %

Обыкновенного качества 0,040–0,050

Качественная 0,035–0,035

Высококачественная 0,025–0,025

Особовысококачественная 0,025–0,015

Категория «обыкновенного качества» может относиться только к угле-

родистым сталям. Все остальные категории качества относятся к любым по

степени легирования сталям.

Маркировка сталей. Углеродистые конструкционные качественные ста-

ли обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание угле-

рода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; .85).

Для сталей, полностью не раскисленных (при С <0,20 %), в обозначение

добавляются индексы: кп – кипящая сталь, пс – полуспокойная сталь (напри-

мер, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается.

Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и сле-

дующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых

долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; 13).

В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают бу-

квами: А-азот, К-кобальт, Т-титан, Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец,

Д-медь, Е-селен, М-молибден, Н-никель, Р-бор, С-кремний, Ф-ванадий,

X-хром, Ц-цирконий, Ю-алюминий.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное

количество того или иного элемента в процентах, округленное до целого чис-

ла. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквен-

ным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки

в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) до-

лях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42-0,50 % С; 0,5-0,8 % М;

0,8-1,0 % X ; 1,3-1,8,% Ni; 0,2-0,3 % Mo и 0,1-0,18% V, обозначается маркой

45ХГН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава 0,32-0,40 % С;

0.80-1,20 % Si; 0,15-0,40 % Mn; 4,5-5,5% Cr; 1,20-1,30 % Mo и 0,3-0,5 % X

обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях со-

ставляет 1 % и более, то цифру в начале марки, как правило, вообще не ставят

(например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает на то, что сталь относится к катего-

рии высококачественной (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки - зна-

чит сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает

на то, что сталь автоматная – повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс

«АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис

в конце марки буквы «Ш» (ЗОХГСА или ЗОХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к

категории качественных (ЗОХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву «Р», за ней

следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежу-

щих сталях содержится около 4 % хрома, поэтому в обозначении марки бук-

вы «X» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках колеблется в

пределах от 1 до 5 %, обозначается в марке, если его среднее содержание

2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих сталях про-

порционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркировке ста-

ли не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или

кобальт, то их содержание указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7-0,8 % С; 3,8-4,4 % Х; 17,0-18,5 % W;

1,0-1,4 % V обозначается маркой Р18, а сталь: 0,95-1,05% С; 3,8-4,4% Х;

5,5-6% W: 4,6 - 5,2 % Мо; 1,8-2,4 %В; 7,5-8,5 % Со обозначается

Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упро-

щенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургиче-

ском заводе. Перед номером стали ставят индексы «ЭИ»У «ЭП» (завод «Элек-

тросталь»). Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упро-

щенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37X12Н8Г8МФБ-~ ЭИ481,

Чугуны. Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элемен-

тами, содержащими более 2,14 % С.

Классификация чугунов. Характерной особенностью чугунов является

то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связан-

ном состоянии (в виде химического соединения – цементита Fe3C), но также в

свободном состоянии – в виде графита. При этом форма выделений графита и

структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна

и их свойства.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по

ГОСТ 3443–77. По специально разработанным шкалам оценивают форму

включений графита, их размеры, характер распределения и количество, а также

тип металлической основы.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

– по состоянию углерода – свободный или связанный;

– по форме включений графита – пластинчатый, вермикулярный, шаровид-

ный, хлопьевидный (рис. 7);

а б в

Рис.7 . Структура чугуна с графитом различной формы:

а – пластинчатый графит в сером чугуне; б – шаровидный

графит в высокопрочном чугуне; в – хлопьевидный графит в ковком чугуне

– по типу структуры металлической основы (матрицы) – феррит-

ный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например

феррито-перлитные;

− по химическому составу – нелегированные чугуны (общего назначения)

и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

− белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в

виде цементита Fe3С;

− половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более

0,8 %) находится в виде цементита;

− серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в

свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

− отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру

серого чугуна, а поверхностный слой – белого;

− высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;

− ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором угле-

род переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Структура и свойства чугуна. Микроструктура чугуна состоит из ме-

таллической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна оп-

ределяются свойствами металлической основы и характером включений графи-

та. Чугуны содержат следующие структурные составляющие (рис.8):

– графит (Г);

– перлит (П);

– феррит (Ф);

– ледебурит (Л);

– фосфидную эвтектику.

Рис. 8. Микроструктура чугуна:

I – белый: II – серый перлитный; II, а – половинчатый;

II, б – ферритно-перлитный;

III – серый ферритный; IV – высокопрочный

Серый чугун – это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве приме-

сей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно нахо-

дится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и техноло-

гическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого

чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графито-

вых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам

стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна.

Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше

прочность чугуна.

Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна

при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита

практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные

пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износо-

стойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость реза-

нием.

Согласно ГОСТ 1412–85 серый чугун маркируют буквами «С» – серый и

«Ч» – чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение

предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 – чугун серый,

предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие

группы:

– ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15), приме-

няют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

– перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30), используют для изготов-

ления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: порш-

ней, цилиндров, блоков двигателей;

– модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавле-

нием перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны

имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолирован-

ных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более вы-

сокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспек-

тивен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях тепло-

смен (блоки двигателей, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна

лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет

получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высоки-

ми литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые

ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например,

коленчатые валы легковых автомобилей.

Высокопрочный чугун. Отличительной особенностью высокопрочного

чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием

в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинча-

тый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы

и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, бла-

годаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концен-

траторы напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высо-

кой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием

расплава присадками, содержащими Mg, Ca, Се и другие редкоземельные ме-

таллы (РЗМ).

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются

ГОСТ 7293 – 85 и маркируются буквами «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун и

числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растя-

жении. Например, ВЧ 100 – высоко прочный чугун, предел прочности при рас-

тяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее пер-

спективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать

проблему снижения массы конструкции при сохранении их высокой надежно-

сти и долговечности. Высокопрочный чугун используют для изготовления от-

ветственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые коле-

са, цилиндры и др.).

Белый и ковкий чугун. Белые чугуны характеризуются тем, что у них

весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита.

Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества

цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень

плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостой-

кость, в том числе и при воздействий абразивных сред. Это свойство белых чу-

гунов учитывается при изготовлении поршневых колец. Однако белый чугун

применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на

ковкий чугун.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химиче-

ского состава, отличающегося пониженным содержанием графитизируюших эле-

ментов (2,4 – 2,9 % С и 1,0 – 1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо

получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспе-

чивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига .

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чу-

гуна регламентирует ГОСТ 1215–79. Ковкие чугуны, маркируют буквами

«К» – ковкий, «Ч» – чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел

прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное его удлинение при

разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при

растяжении 33 кг/мм (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графи-

тизирующего отжига, и белосердечный, получаемый путем обезуглероживаю-

щего отжига в окислительной среде. В России применяют только черносердеч-

ный ковкий чугун. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной или пер-

литно-ферритной в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повы-

шают температуру выдержки в период П2, модифицируют и микролегируют

чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы спо-

собствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устойчиво-

сти цементита.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостен-

ных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических

знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,

тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун – малопер-

спективный материал из-за сложной технологии получения и длительности

производственного цикла изготовления деталей из него.

Легированные чугуны. В зависимости от назначения различают износо-

стойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные

чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах

и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регла-

ментируются ГОСТ 7769– 82. В обозначении марок легированных чугунов бук-

вы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что

и в марках стали.

Износоcтойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %),

применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугу-

ны (до 0,6 % Сr и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена

обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного

материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомоби-

лей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ2, ЧХЗ применяют для изготовле-

ния деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрес-

соров, эксплуатируемых при температуре 600 °С (ЧХ 2) и 700 °С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным

графитом работоспособны при температурах 500 – 600 °С и применяются для

изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД

ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в

газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления дета-

лей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых ко-

лец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей ди-

зелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых спла-

вов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых

удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), спо-

собных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, ни-

кель, титан.

ГОСТ 1585 – 85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна

(АЧС-1–АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1,

АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регла-

ментируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также со-

держатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны

Антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-

ферритный (АЧС-3) применяют при давлении в зоне контакта фрикционных

пар до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлитный) и АЧВ-2

(перлитно-ферритный) применяют при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

Цветные металлы и сплавы. Многие цветные металлы и их сплавы обла-

дают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой

электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоин-

ствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают

важное место среди конструкционных материалов.

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде спла-

вов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Алюминий и его сплавы. Алюминий – металл серебристо-белого цвета,

характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью, темпера-

тура плавления 660 °С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому

в чистом виде как конструкционный материал применялся ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свойств алюми-

ний легируют различными элементами (Сr, Mg, Si, Zn). Железо и кремний яв-

ляются постоянными примесями алюминия. Железо вызывает снижение пла-

стичности и электропроводности алюминия. Кремний, как и медь, магний,

цинк, марганец, никель и хром, относится к легирующим добавкам, упрочняю-

щим алюминий.

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

– алюминий особой чистоты марки А 999 (0,001 % примесей);

– алюминий высокой чистоты – А 935, А 99, А 97, А95 (0,005 – 0,5 % при-

месей);

– технический алюминий – А 35, А 3, А 7, А 5, А 0 (0,15 – 0,5 % примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфабрикатов для дальнейшей пе-

реработки в изделия. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления

фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

В автомобилестроении широкое применение получили сплавы на основе

алюминия. Они классифицируются:

– по технологии изготовления,

– по степени упрочнения после термической обработки;

– по эксплуатационным свойствам.

– Деформируемые сплавы. К неупрочняемым термической обработкой

относятся сплавы:

– алюминия с марганцем марки АМц;

– алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью,

хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них

изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуа-

ры для жидкостей и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термиче-

ской обработкой, различают сплавы:

– нормальной прочности;

– высокопрочные сплавы;

– жаропрочные сплавы;

– сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности. К ним относятся сплавы системы Алюми-

ний + Медь + + Магний (дюралюмины), которые маркируются буквой Д. Дюра-

люмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, достаточной

твердостью и вязкостью. Для упрочнения сплавов применяют закалку с после-

дующим охлаждением в воде. Закаленные дюралюмины подвергаются старе-

нию, что способствует увеличению их коррозионной стойкости.

Дюралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изго-

товляют лопасти винтов, из Д16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов,

сплав Д18 – один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе

Алюминий +Цинк +Магний +Медь. В качестве легирующих добавок исполь-

зуют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эф-

фект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств, спла-

вы закаливают с последующим старением.

Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят

дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентрато-

рам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные

наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК 4–1, Д 20) имеют сложный химиче-

ский состав, легированы железом никелем, медью и другими элементами. Жа-

ропрочность сплавам придает легирование, замедляющее диффузионные про-

цессы.

Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусст-

венного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300 °С. Спла-

вы для ковки и штамповки (АК 2, АК 4, АК 6, АК 8) относятся к системе Алю-

миний + Медь + Магний с добавками кремния. Сплавы применяют после закал-

ки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы

(АК 6) и высокогруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов,

крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы. Для изготовления деталей методом литья применяют

алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механиче-

ских свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием. Главным достоинст-

вом литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка,

хорошие механические свойства.

Медь и ее сплавы. Главными достоинствами меди как машиностроитель-

ного материала являются высокие тепло- и электропроводность, пластичность,

коррозионная стойкость в сочетании с достаточно высокими механическими

свойствами. К недостаткам меди относят низкие литейные свойства и плохую

обрабатываемость резанием.

Легирование меди осуществляется с целью придания сплаву требуемых

механических, технологических, антифрикционных и других свойств. Химиче-

ские элементы, используемые при легировании, обозначают в марках медных

сплавов следующими индексами: А – алюминий; Вм – вольфрам;

Ви – висмут; В – ванадий; Км – кадмий; Гл – галлий; Г – германий; Ж – железо;

Зл – золото; К – кобальт; Кр – кремний; Мг – магний; Мц – марганец; М – медь;

Мш – мышьяк; Н – никель; О – олово; С – свинец; Сн – селен; Ср – серебро;

Су – сурьма; Ти – титан; Ф – фосфор; Ц – цинк.

Медные сплавы классифицируют:

по химическому составу на:

− латуни;

− бронзы;

− медноникелевые сплавы;

по технологическому назначению на:

− деформируемые;

− литейные;

по изменению прочности после термической обработки на:

– упрочняемые;

– неупрочняемые.

Латуни – сплавы меди, а которых главным легирующим элементом являет-

ся цинк. В зависимости от содержания легирующих компонентов различают:

– простые (двойные) латуни;

– многокомпонентные (легированные) латуни.

Простые латуни маркируют буквой «Л» и цифрами, показывающими

среднее содержание меди в сплаве. Например, сплав Л 90 – латунь, содержащая

90 % меди, остальное – цинк.

В марках легированных латуней группы букв и цифр, стоящих после них,

обозначают легирующие элементы и их содержание в процентах. Например,

сплав ЛАН КМц 75-2-2,5-0,5-0,5 – латунь алюминиевоникелькремнисто- мар-

ганцевая, содержащая 75 % меди, 2 % алюминия, 2,5 % никеля, 0,5 % кремния,

0,5 % марганца, остальное – цинк.

В зависимости от основного легирующего элемента различают алюминие-

вые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянистые, свинцовые и другие

латуни.

Бронзы – это сплавы меди с оловом и другими элементами (алюминий,

марганец, кремний, свинец, бериллий). В зависимости от содержания основных

компонентов, бронзы можно условно разделить на:

– оловянные, главным легирующим элементом которых является олово;

– безоловянные (специальные), не содержащие олова.

Бронзы маркируют буквами «Бр», правее ставятся буквенные индексы

элементов, входящих в состав. Затем следуют цифры, обозначающие среднее

содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в

бронзе, не ставят). Например, сплав марки БрОЦС 5-5-5 означает, что бронза

содержит олова, свинца и цинка по 5 %, остальное – медь (85 %).

В зависимости от технологии переработки оловянные и специальные брон-

зы подразделяют на:

– деформируемые;

– литейные;

– специальные.

Деформируемые оловянные бронзы содержат до 8 % олова. Эти бронзы

используют для изготовления пружин, мембран и других деформируемых дета-

лей. Литейные бронзы содержат свыше 6 % олова, обладают высокими анти-

фрикционными свойствами и достаточной прочностью; их используют для из-

готовления ответственных узлов трения (вкладыши подшипников скольжения).

Специальные бронзы включают в свой состав алюминий, никель, кремний,

железо, бериллий, хром, свинец и другие элементы. В большинстве случаев на-

звание бронзы определяется основным легирующим компонентом.

Титан и его сплавы. Основными способами получения титана являются

избирательная восстановительная плавка, восстановление тетрахлорида магния,

переплав титановой губки. Очистку титана от примесей производят методом

зонной плавки.

Титановые сплавы классифицируют по:

– технологическому назначению на литейные и деформируемые;

– механическим свойствам – низкой (до 700 МПа), средней (700 – 1000

МПа) и высокой (более 1000 МПа) прочности;

– эксплуатационным характеристикам – жаропрочные, химически стой-

кие и др.;

– отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые;

– структуре (α-, α+β- и β-сплавы). Деформируемые титановые сплавы по

механической прочности выпускаются под марками:

– низкой прочности – ВТ 1;

– средней прочности – ВТ 3, ВТ 4, ВТ 5;

– высокой прочности ВТ 6, ВТ 14, ВТ 15 (после закалки и старения).

Для литья применяются сплавы, аналогичные по составу деформируемым

сплавам (ВТ5Л, ВТ 14Л), а также специальные литейные сплавы.

Магний и его сплавы. Главным достоинством магния как машинострои-

тельного материала являются низкая плотность, технологичность. Однако его

коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей крайне

низка. Чистый магний практически не используют в качестве конструкционно-

го материала из-за его недостаточной коррозионной стойкости. Он применяется

в качестве легирующей добавки к сталям и чугунам и в ракетной технике при

создании твердых топлив.

Эксплуатационные свойства магния улучшают легированием марганцем,

алюминием, цинком и другими элементами. Легирование способствует повы-

шению коррозионной стойкости (Zr, Mn), прочности (Al, Zn, Mn, Zr), жаро-

прочности (Th) магниевых сплавов, снижению окисляемости их при плавке, ли-

тье и термообработке.

Сплавы на основе магния классифицируют по:

–механическим свойствам – невысокой, средней прочности; высокопроч-

ные, жаропрочные;

– технологии переработки – литейные и деформируемые;

– отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые

термической обработкой.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответ-

ственно сплав (М), и буквы, указывающей способ технологии переработки (А –

для деформируемых, Л – для литейных), а также цифры, обозначающей поряд-

ковый номер сплава.

Деформируемые магниевые сплавы MA1, MA2, МА3, MA8 применяют для

изготовления полуфабрикатов – прутков, труб, полос и листов, а также для

штамповок и поковок.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6 нашли

широкое применение для производства фасонных отливок. Некоторые сплавы

МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной и

автомобильной промышленности: картеры, корпуса приборов, колесные диски,

фермы шасси самолетов.

Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из

них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных

покрытий.

Баббиты и припои. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в усло-

виях трения скольжения, используют сплавы, характеризующиеся низким ко-

эффициентом трения, прирабатываемостью, износостойкостью, малой склонно-

стью к заеданию.

К группе антифрикционных материалов относят сплавы на основе олова,

свинца и цинка.

Баббиты – антифрикционные материалы на основе олова и свинца.

В состав баббитов вводятся легирующие элементы, придающие им специфиче-

ские свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость; никель – вяз-

кость, твердость, износостойкость; кадмий – прочность и коррозионную стой-

кость; сурьма – прочность сплава.

Баббиты применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения,

работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных

нагрузках.

По химическому составу баббиты классифицируют на группы:

– оловянные (Б83, Б88),

– оловянно-свинцовые (БС6, Б16);

– свинцовые (БК2, БКА).

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойст-

ва, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты

применяют в подшипниках, работающих в легких условиях.

В конструктивных элементах подвижного состава железных дорог используют

подшипники скольжения из кальциевых баббитов.

В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит

БС6 содержит по 6 % олова и сурьмы, остальное – свинец.

Антифрикционные цинковые ставы (ЦВМ 10-5, ЦАМ 9-1,5) используют

для изготовления малонагруженных подшипников скольжения. Их применяют

в литом или деформированном виде: для отливки подшипников, изготовления

прокатных полос и биметаллических лент с последующей штамповкой изделий.

Такие подшипники успешно заменяют бронзовые при температурах эксплуата-

ции, не превышающих 120 °С.