1. Дать определение понятию «чугун». Перечислить исходные материалы для получения чугуна. Охарактеризовать процесс получения чугуна. Проанализировать продукты доменного производства.

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %). Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся: магнитный железняк с содержанием железа 55…60 %, красный железняк с содержанием железа 55…60 %, бурый железняк c содержанием железа 37…55 % .

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца ( 10…82% ), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк или доломитизированный известняк, содержащий и , так как в шлак должны входить основные оксиды ( ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8…4,4 % углерода, 0,3…1,2 % кремния, 0,2…1 % марганца, 0,15…0,20 % фосфора, 0,03…0,07 % серы.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют

Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

 

2. Дать понятие об обработке металлов давлением. Перечислить основные виды оборудования, применяемые для нагрева при горячей обработке давлением.

Обработкой давлением называют группу технологических процессов изготовления деталей или заготовок, основанных на использовании способности металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться, т.е. изменять свою форму, не разрушаясь. Пластическая деформация – сложное явление, при котором изменяется не только форма исходной заготовки, но и кристаллическая структура исходного металла, его механические и физические свойства. Объем металла и его плотность при этом практически не изменяются.

Пластичность металла зависит от технологического режима деформирования – усилия деформирования, температуры, степени и скорости деформации. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию. Повышение скорости деформирования, наоборот, снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию..

Поэтому пластичность следует рассматривать не как неизменное свойство какого-либо материала, а как его состояние, зависящее от условий обработки.

Наиболее пластичной структурой является структура аустенита, которая имеет место у низко- и среднеуглеродных сталей в области температур 1100…1200 ºС. Поэтому температуру 1200 ºС принимают как верхний предел температурного интервала ковки для углеродистой стали. При установлении нижнего предела температур ковки учитывают массу поковки, наличие или отсутствие последующей термической обработки, способ охлаждения. Для сталей конец температурного интервала ковки принимают обычно на 30…70 ºС выше линии PSK, т.е. устанавливают в пределах 750…780 ºС. Нагрев металла выше оптимальных температур приводит к так называемому перегреву, понижающему качество стали. Перегрев стальных заготовок может быть исправлен последующей термической обработкой (отжигом или нормализацией) или дополнительной деформацией.

В результате высокого нагрева металла в печи до температуры, близкой к точке плавления, имеет место пережог металла. Вследствие этого значительно окисляются границы зерен, что приводит к потере пластичности металла, и он становится хрупким. Пережженные заготовки являются неисправимым браком.

В процессе нагрева наблюдается образование окалины, которое принято называть угаром металла. Для пламенных печей, работающих на мазуте или природном газе, угар составляет 2,5…4,0 % от массы нагреваемой заготовки. Кроме того, под слоем окалины в поверхностном слое заготовки выгорает часть углерода. Глубина обезуглероженного слоя составляет обычно от 0,2 до 2,0 мм. Чтобы предотвратить образование дефектного обезуглероженного слоя, в рабочем пространстве печи создают безокислительную атмосферу.

Охлаждение поковок после горячей деформации оказывает существенное влияние на качество металла. При быстром охлаждении могут возникнуть так называемые холодные трещины.

Для нагрева металла под ковку и штамповку применяют кузнечные горны и нагревательные печи различных конструкций. Нагревательные печи делятся на пламенные, в которых теплота образуется при сжигании топлива, и электрические. Выбор типа печей зависит от характера производства, размера и формы заготовок и марки нагреваемого металла

Нагрев крупных заготовок чаще всего осуществляется в пламенных печах. Средние и мелкие заготовки можно нагревать как в пламенных, так и в электрических печах и устройствах. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономическими соображениями.

По распределению тепла в рабочем пространстве печи разделяют на камерные и методические.

3. Дать определение понятию «химико-термическая обработка». Перечислить виды химико-технической обработки. Дать краткую характеристику процессу цементации стали.

Химико-термической обработкой называют диффузионное насыщение поверхностных слоёв стали различными элементами. Совместное действие температуры и активной внешней среды позволяет изменить химический состав поверхностных слоёв металла.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твёрдости, износостойкости, сопротивления усталости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Химико-термическая обработка обычно сочетается с термической обработкой и либо предшествует, либо следует за ней.

Основными преимуществами химико-термической обработки являются возможность сравнительно легко регулировать качество поверхностного слоя и создавать значительный градиент свойств от поверхности к сердцевине, а также получать упрочнённые слои весьма малой толщины.

Недостатком этого вида обработки является значительная длительность процесса, а, следовательно, и большая себестоимость упрочнения.

Химико-термическая обработка может производиться в твёрдых, жидких и газообразных средах, богатых теми элементами, которыми насыщаются поверхности стали.

Обязательным условием процесса является выделение необходимых элементов в атомарном виде, когда они приобретают достаточную химическую активность и способность диффундировать в поверхностные слои металла.

Цементацией называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стали углеродом. Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь высокую износостойкость рабочих поверхностей и вязкую сердцевину, например, валы, оси, зубчатые колёса, детали кулачковых механизмов и др. Цементации обычно подвергают детали, изготовленные из низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,2 %. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. Толщина цементированного слоя составляет обычно 1…1,5 мм, а концентрация углерода в нём повышается до 0,8…1 %.

4 Дать определение понятию «сталь». Перечислить и охарактеризовать способы получения стали. Раскрыть достоинства и недостатки способов получения стали.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

 Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 ⁰ для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи. Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

5. Дайте определение понятию «прокатка». Перечислить виды прокатки. Объяснить процесс получения листового проката.

Прокатка – это процесс обжатия заготовки между вращающимися валками прокатного стана с целью придания ей требуемой формы и размеров .

Продукцией прокатного производства является металлопрокат различных профилей, размеров и назначения.

Форму поперечного сечения проката называют профилем. Профиль по длине изделия может быть либо постоянным, либо переменным (периодическим). Перечень наименований профилей, содержащих сведения об основных их размерах и технических характеристиках называют сортаментом. Наличие сортамента позволяет использовать металл непосредственно в том состоянии, в котором он поставлен предприятию металлургическим заводом.

Сортамент проката делится на следующие основные группы: сортовой прокат, листовой прокат, трубы и профили специального назначения.

Исходной заготовкой для проката служат стальные слитки массой до 25 т. Сортовой прокат подразделяют на простой и фасонный (сложного профиля). К простому прокату относят профили с простой геометрической формой сечения – круг, квадрат, шестигранник и др. К прокату фасонного профиля относятся сталь угловая, тавр, швеллер и др.

Листовой прокат разделяется на тонколистовую и толстолистовую сталь. Листовой прокат толщиной менее 4 мм называют тонколистовым, а свыше 4 мм – толстолистовым. Ширина листов тонколистовой стали от 600 до 2200 мм.

Технологический процесс прокатного производства содержит такие обязательные операции, как подготовка исходного материала, его нагрев, прокатка и отделка.

Нагрев металла перед прокаткой повышает его пластичность и улучшает физико-механические свойства.

6. Раскрыть сущность понятия «латуни». Описать свойства латуней. Указать классификацию и изложите принцип маркировки латуней.

Латунями называют группу сплавов меди с цинком. Механическая прочность латуней выше, чем меди. Все латуни хорошо обрабатываются резанием.

При содержании цинка примерно до 30 % увеличиваются одновременно и прочность, и пластичность. После этого пластичность резко снижается. Прочность латуней увеличивается до содержания цинка около 45 %, а затем снижается также резко, как и пластичность. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.

В технике наибольшее применение нашли латуни, содержащие цинка 30…38 %. Эти латуни достаточно пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, проявляют высокую коррозионную стойкость к различным агрессивным средам.

Чем больше меди в латуни, тем она более пластична, выше ее коррозионная стойкость, теплопроводность и электропроводимость. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют от 20 до 50 % от характеристик меди.

Все латуни имеют хорошие литейные свойства – высокую жидкотекучесть, малую усадку, небольшую ликвацию.

Для повышения механических свойств и химической стойкости производят легирование латуней. С этой целью в их состав дополнительно вводят различные легирующие элементы: свинец, олово, алюминий, кремний, марганец и др. Свинец улучшает обработку латуней резаниям и антифрикционные свойства. Марганец и, особенно, олово повышают прочностные свойства латуней и их коррозионную стойкость. Кремний увеличивает твердость и прочность, улучшает литейные свойства. Кремнистые латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются и соединяются с помощью различных припоев.

Выпускают латуни в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготавливают, например, радиаторные трубки, снарядные гильзы, трубопроводы, а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и т.п.).

Латуни обозначаются буквой Л (латунь) и числом, показывающим среднее содержание меди в процентах. Например, в латуни Л85 содержится 85 % меди и 15 % цинка. В марках латуней сложного состава имеются буквы, указывающие на содержание соответствующих легирующих элементов. Алюминий в медных сплавах обозначают буквой А, олово – О, свинец – С, железо – Ж, марганец –Мц, никель – Н, кремний – К. Например, в латуни ЛАН59-3-2 содержится в среднем 59 % меди, 3 % алюминия и 2 % никеля (остальное цинк).

Двойные латуни марок Л96 и Л90, имеющие наибольшую массовую долю меди (88…97 %), называются томпаками. Томпак Л90, например, имеет высокую коррозионную стойкость, обладает достаточно хорошими литейными и механическими свойствами, имеет хорошую свариваемость со сталью. Латуни, имеющие массовую долю меди 79…86 %, называются полутомпаками (марки Л85, Л80). Они несколько дешевле томпаков, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

7.Дать определение понятию «кристаллическая решетка». Перечислить типы и изобразить схематично кристаллические решетки.

Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.

Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Металлами называют химические элементы с характерными признаками.

Все тела состоят из атомов. Тела, в которых атомы расположены беспорядочно, называются аморфными (стекло, воск, смола, пластмассы).

Кристаллические тела, к которым относятся все металлы и металлические сплавы, характеризуются упорядоченным расположением атомов. В них атомы находятся в узлах пространственных кристаллических решеток.

На плоскости атомы металлов образуют атомную сетку, в пространстве – атомно-кристаллическую решетку.

В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа:

Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК). Атомы расположены в вершинах куба и в центре куба (9атомов) имеют: хром, ванадий, вольфрам, -железо.

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) имеет 14атомов (8 при вершинах, 6 в центре граней): алюминий, никель,.медь, свинец, серебро, золото, железо.

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) имеет 17 атомов (8 в вершинах шестиугольной призмы, 2 в центре оснований, 3 внутри призмы): магний, цинк, титан, бериллий.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.

Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, а с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией.

К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки, и замещенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. Край экстра-плоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов, при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами. На границе раздела атомы расположены менее правильно, чем в объеме, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т.е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов.

Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

8. Назвать дефекты сварных соединений. Охарактеризовать причины возникновения дефектов

несовершенства реальных кристаллов.

Основные дефекты сварных швов.

Дефекты сварных швов являются следствием

неправильного выбора или нарушения технологического процесса изготовления сварной конструкции,

применения некачественных сварочных материалов,

 низкой квалификации сварщика.

Дефекты разделяются на внешние и внутренние.

Внешние:

нарушение размеров и формы шва,

непровар,

подрез зоны сплавления,

поверхностное окисление, прожог, наплыв, поверхностные поры, незаваренные кратеры, трещины продольные и поперечные.

Внутренние:

внутренние поры, неметаллические включения, непровар, микротрещины.

9. Дать определение понятию «нормализация». Охарактеризовать процесс нормализации, процесс закалки стали. Обосновать выбор температуры закалки для до- и заэвтектоидной стали.

- нормализация – нагрев до температуры на 30-50⁰С выше критических точек А_с3 и А_ст, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе. При этом уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

10. Перечислить виды сварных соединений и швов. Указать методы неразрушающего контроля сварных соединений.

Основными преимуществами сварных соединений являются: экономия металла; снижение трудоемкости изготовления корпусных деталей; возможность изготовления конструкций сложной формы из отдельных деталей, полученных ковкой, прокаткой, штамповкой.

Тип сварного соединения определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку.

В зависимости расположения соединяемых деталей различают четыре основных типа сварных соединений: стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые.

Виды контроля сварных соединений

Для получения сварного соединения хорошего качества необходимо осуществлять контроль, начиная с проверки качества подготовки шва и кончая проверкой полученного сварного соединения.

качество основного металла, электродной проволоки, присадочного маталла, флюса проверяются по сертификатам и заводским документам;

маркировка и качество должны соответствовать установленным техническим условиям и технологическому процессу сварки.

сборку под сварку и разделку шва проверяют по стандартам и техническим условиям.

Сварное соединение проверяется:

 внешним осмотром, металлографическим исследованиями, химическим анализом, механическими испытаниями, просвечиванием ренгеновскими и гамма-лучами, магнитными методами и с помощью ультразвука;

предварительно сварное соединение очищают от шлака, окалины и металлических брызг.

В зависимости от взаимного расположения свариваемых деталей применяют различные виды сварных соединений – стыковые, внахлестку, тавровые, угловые (рис.63). При соединении внахлестку свариваемые изделия накладывают друг на друга с перекрытием, равным трем-пяти толщинам соединяемых листов. Соединения внахлестку не рекомендуется применять при толщине листов свыше 10…12 мм.

Угловые соединения являются разновидностью тавровых и выполняются, как правило, без подготовки кромок.

По расположению в пространстве сварные швы бывают горизонтальные, вертикальные и потолочные. Наиболее удобные для выполнения горизонтальные швы в нижнем положении. Швы на вертикальной плоскости (вертикальные и горизонтальные) выполнять труднее, поскольку под действием сил тяжести возможно вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Еще труднее выполнять сварку потолочных швов.

11.Перечислить основные свойства металлов и сплавов. Охарактеризовать основные механические свойства. Механические свойства.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. При выборе материала для изготовления д/м необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок).

Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле – напряжение и деформацию.

Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Бывают деформации: сжатия, изгиба, кручения, среза. Материал подвергается одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой формы испытывают на статическое растяжение. Испытание проводят на разрывных машинах.

В результате получают диаграмму растяжения, по которой определяют:

Прочность способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Предел прочности – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке. Предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки ( площадку текучести имеют только малоуглеродистые стали и латуни); другие сплавы имеют (условный предел текучести.

Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки и оценивается пределом пропорциональности и пределом упругости.

Пластичность - это способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь. Характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы к площади его поперечного сечения в месте разрыва. Для испытания используют квадратный брусочек с надрезом на маятниковом копре (копр ударяет со стороны противоположной надрезу). Она определяет склонность металлов к хладноломкости. Хладноломкость – снижение ударной вязкости материалов при низких температурах.

Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (станины, корпусные детали) является ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, поверхностно-упрочненные детали

Усталость – это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению

Выносливость – свойство материла противостоять усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдерживать металл без разрушения заданное число циклов нагружения

12. Раскрыть сущность понятия «бронза». Указать классификацию и принцип маркировки бронзы. Указать область применения бронз в машиностроительной промышленности.

Бронзами называют сплавы на основе меди с добавками олова, алюминия, свинца, кремния, бериллия и других элементов. В состав бронз может входить и цинк, при этом он не является основной добавкой.

Маркируют бронзы буквами Бр. Далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов, а содержание меди определяется как разность от 100%. Например, в бронзе марки Бр.АЖН10-4-4 содержится в среднем 10 % алюминия, 4 % железа, 4 % никеля и остальное медь (82 %). Элементы обозначаются так же, как и в латунях.

Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, их усадка при литье почти в 3 раза меньше, чем у стальных отливок. Некоторые бронзы имеют достаточную пластичность и могут обрабатываться давлением. В отличие от латуней все бронзы хорошо обрабатываются резанием. Большинство бронз обладает хорошей коррозионной стойкостью. Многие бронзы имеют хорошие антифрикционные свойства, поэтому используются как подшипниковые материалы.

Бронзы получают название по основным элементам, входящим в их состав. Важнейшими являются оловянистые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и никелевые. Одной из давно известных человечеству бронз является оловянистая. Она обладает высокими литейными и антифрикционными свойствами, поэтому используются в основном для художественного литья и как подшипниковый материал в узлах трения машин и механизмов. Однако эта бронза сравнительно дорогая из-за высокой дефицитности и стоимости олова, содержание которого обычно не превышает 3…6 %.

Из этих бронз изготавливают такие детали точного приборостроения, как пружины, мембраны, пружинящие элементы электронных устройств, а также детали, работающие на истирание.

Кремнистые бронзы содержат до 3 % кремния. Они характеризуются хорошими механическими свойствами, высокой упругостью и выносливостью, успешно поддаются обработке литьем и давлением в горячем состоянии. Во многих случаях они успешно заменяют оловянистые бронзы при изготовлении деталей подшипниковых узлов.

Сплавы меди с никелем и другими легирующими элементами называют мельхиорами. Эти сплавы представляют собой по существу бронзы особого вида. Принцип маркировки таких сплавов аналогичен, как и для латуней и бронз. Например, мельхиор МНЖМц30-1-1 содержит около 30 % никеля, до 1 % железа и марганца, остальное – медь. Эти сплавы используют для изготовления монет, столовой посуды, деталей точной механики и др.

13. Перечислить формы графита в чугунах. Раскройте влияние формы графиты на механические свойства чугуна. Изложить принцип маркировки чугунов. Указать область применения чугунов в машиностроительной промышленности.

По сравнению с углеродистой сталью чугуны отличаются более высоким содержанием углерода, лучшими литейными и худшими пластическими свойствами.

Свойства чугуна определяются структурой металлической основы, формой, количеством и размерами графитовых включений. Металлическая основа чугуна аналогична по строению и близка по свойствам стали.

Структуру и свойства чугуна определяет в основном углерод. С повышением содержания углерода ухудшаются механические свойства, но повышаются его литейные свойства. Содержание углерода в чугуне не должно превышать 4,3 %.

Углерод в составе чугуна может быть в виде карбида Fe₃C, графита или их смеси. В зависимости от того, в каком виде находится в чугунах углерод а также от формы графита и условий его образования различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Белым называют чугун, в котором при нормальных условиях весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe₃C. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Белые чугуны отличаются высокой твердостью, хрупкостью, низкой прочностью и трудностью механической обработки. В качестве конструкционного материала используется редко. Из белого чугуна получают отливки деталей машин с последующим их отжигом (см. ниже) на ковкий чугун.

Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита. На изломе такой чугун имеет серый цвет. В сером чугуне графит имеет форму слегка изогнутых пластинок. Они нарушают целостность металлической основы чугуна и играют роль надрезов и мелких трещин. Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Чугуны с пластичным графитом имеют сравнительно низкую прочность на растяжение и пластичность. Чем меньше в металлической структуре феррита, тем мельче графитовые включения и тем выше механические свойства чугуна.

Наиболее высокие механические свойства имеют серые модифицированные чугуны с мелкими пластинками графита. Для серых чугунов в качестве модификаторов используют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Модификаторы вводят в незначительном количестве, поэтому они химического состава чугуна не изменяют, но оказывают значительное влияние на процесс графитизации. Кроме того, они играют роль зародышей центров выделения графита.

Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) в сочетании с числом, которое характеризует значение предела прочности при растяжении σв.

Например марка СЧ20 означает что чугун имеет σв=200МПа.

Серый чугун выпускается марок СЧ15, СЧ 25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и др., причем высшие марки получают введением модифицирующих добавок.

Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием (стружка становится ломкой), менее хрупок, чем белый чугун, имеет хорошие антифрикционные свойства (графит является сухой смазкой). В машиностроении серый чугун используется главным образом для производства отливок и поэтому его называют литейным.

Высокопрочным называется чугун с шаровидной формой графита. Его получают специальной обработкой – модифицированием жидкого серого чугуна. В качестве модификаторов применяют магний, церий, иттрий и др. в количестве до 0,1 % от массы обрабатываемого чугуна. Модификаторы вводятся в жидкий чугун перед его разливкой. Шаровидный графит в меньшей степени ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит серого чугуна. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не является также активным концентратом напряжений. Все это обуславливает значительное повышение прочности и пластичности чугуна.

Маркируют высокопрочные чугуны буквами ВЧ в сочетании с числом, характеризующим прочность чугуна при растяжении.

Например, марка ВЧ45 означает, что чугун имеет σв = 450 МПа.

Высокопрочный чугун выпускают марок ВЧ35, ВЧ40, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100.

Благодаря хорошему сочетанию механических, технологических и эксплуатационных свойств высокопрочные чугуны широко применяются в различных отраслях машиностроения как перспективный конструкционный материал, в том числе и как заменитель сталей для изготовления особо нагруженных деталей.

Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, который получают из белого чугуна в результате специального графитизирующего отжига (см. ниже). Термин “ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, также как и из любого другого чугуна, ковке не подвергаются.

Наиболее трудоемкой и энергоемкой операцией при получении изделий из ковкого чугуна является процесс отжига, который длится иногда несколько десятков часов. В результате отжига происходит распад цементита белого чугуна и образование графита хлопьевидной формы. Вследствие чего из хрупкого и твердого белого чугуна получается более пластичный и мягкий ковкий чугун.

По своим литейным и механическим свойствам, ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

По сравнению со сталью, ковкий чугун более дешевый, имеет лучшие литейные свойства, а также повышенную способность гасить в возникающие в нем вибрации.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ с добавлением двух чисел: первое указывает предел прочности при растяжении, а второе относительное удлинение.

Например, марка КЧ55-4 означает, что чугун имеет σв =550 МПа и δ=4 %. Ковкий чугун выпускается марок КЧ30-6, КЧ35-10, КЧ50-5 и др.

Ковкий чугун широко применяется в автомобильной, тракторной и других отраслях промышленности для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках

14. Дать определение понятию «термическая обработка». Перечислить виды термической обработки. Изложить цели отжиг. Раскрыть основные виды отжига 1-го рода и область его применения

Термическая обработка представляет собой комплекс операций теплового воздействия, проводимых в определенной последовательности с целью изменения свойств сплава путем изменения его структуры. Термической обработке подвергается почти половина объема стали, используемой в машиностроении.

Основными технологическими параметрами, определяющими свойства сплавов после термической обработки, являются температура и скорость нагрева, длительность выдержки при выбранной температуре нагрева и скорость последующего охлаждения. Изменяя эти параметры, можно получить сплав с теми или иными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

В зависимости от режимов обработки, определяющих фазовые и структурные изменения в металле, различают следующие виды термической обработки – закалку, отпуск и отжиг. Некоторые из этих операций имеют разновидности.

Отжиг производится для снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости и улучшения обрабатываемости стали. Чаще всего отжигу подвергаются отливки, сварные конструкции, продукция прокатного производства и др. В результате отжига снимаются внутренние напряжения, выравнивается химический состав материала по объему заготовки и устраняется его структурная неоднородность. В отдельных случаях отжиг применяют для изменения физических свойств стали. Например, с помощью отжига можно изменить магнитные свойства трансформаторных сталей.

В зависимости от температурных режимов нагрева и охлаждения различают следующие виды отжига: смягчающий, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Температурные интервалы различных видов отжига приведены на рис.28.

Смягчающий отжиг основан на полной или частичной перекристаллизации стали в процессе нагрева и последующего медленного охлаждения.

В связи с этим различают полный и неполный смягчающий отжиг.

При полном отжиге конструкционную доэвтектоидную сталь, как и при закалке, нагревают выше линии GS на 30…50 ºС и медленно охлаждают, как правило, вместе с печью. В результате такой обработки сталь приобретает равновесную мелкозернистую структуру (рис.29.б), что способствует повышению ее вязкости и снижению твердости. Применяют этот вид отжига для улучшения обрабатываемости стали на металлорежущих станках, особенно отливок и поковок.

Для инструментальных заэвтектоидных сталей применяют неполный отжиг с нагревом на 30…50 ºС выше линии SK (около 780 ºС). В результате такой обработки цементит принимает округлую мелкозернистую форму, что обусловливает наилучшее сочетание механических и технологических свойств термообработанной стали и улучшает её обрабатываемость резанием.

Отжиг является длительной операцией и продолжается иногда до 12…24 ч. Поэтому часто для углеродистых сталей вместо отжига применяют нормализацию. Нормализация отличается от полного отжига в основном условиями охлаждения. В этом случае сталь после нагрева и непродолжительной выдержки охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее.

Нормализованная сталь имеет структуру сорбита (рис.29.в) и несколько повышенную твердость и прочность по сравнению с отожженной. Снижение времени нагрева, кроме того, существенно снижает потери металла вследствие окалинообразования. Нормализованные детали имеют хорошее сочетание прочности и вязкоупругих свойств и применяются в узлах, подвергающихся сравнительно невысоким знакопеременным нагрузкам.

Диффузионный отжиг, называемый иногда гомогенизацией, состоит из нагрева стали до 1050…1150 ºС, длительной выдержки (10…15 ч) при этой температуре и последующего медленного охлаждения. В результате такой обработки выравнивается химический состав в различных зонах слитка, уменьшается его ликвация и устраняется зернистость. Это означает, что сталь становится однородной, т.е. гомогенной по всему объему изделия.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа (повышение твердости) и внутренних напряжений, возникающих в стали в результате пластического деформирования после холодной обработки давлением (прокат, волочение, штамповка). Рекристаллизационный отжиг производится при температуре на 50…100 ºС ниже линии РK (рис.28), выдержке при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. В процессе рекристаллизации восстанавливаются свойства металла, предшествовавшие пластическому деформированию. Влияние пластической деформации на свойства стали будет рассмотрено ниже (раздел 15).

В заводской практике для устранения наклепа холоднокатаных листов из низкоуглеродистых сталей отжиг проводят при температуре 680…700 ºС, для прутков из легированных сталей – при 700…730 ºС. Время выдержки при нагреве зависит от толщины сечения. Для тонких листов и проволоки оно составляет примерно 25…30 мин.

Отжиг для снятия остаточных напряжений производится для отливок и сварных конструкций из углеродистой стали. Остаточные напряжения чаще всего нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации. Суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, они могут привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции. Остаточные напряжения, увеличивая запас упругой энергии конструкции, значительно повышают вероятность ее хрупкого разрушения. Во многих случаях они вызывают также склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Длительность этого вида отжига зависит от выбранной температуры нагрева.

В частности, при температуре нагрева около 400…600 ºС выдержка составляет примерно 2,5 мин на 1 мм толщины сечения. При длительности отжига 20ч напряжения почти полностью снимаются при температуре 600 ºС независимо от их начальной величины. Для сокращения времени отжига его температура может быть повышена до 650…700 ºС.

15. Перечислить методы испытания металлов на твердость. Раскрыть достоинства и недостатки данных методов. Обосновать выбор метода определения твердости заготовки из мягкой стали.

Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Способ Бринелля основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Испытание проводится на твердомере.

Способ Роквелла применяют для испытания твердых материалов. Используют алмазный конус и закаленный шарик. Твердость отсчитывают по шкале А,В,С.

Способ Виккерса применяют для испытания четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершиен 136.

16. Дать определение понятию «сварка». Перечислить способы сварки. Охарактеризовать свариваемость металлов и сплавов.

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.

Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.

При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.

При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д. По-разному обеспечиваются защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.

Существует множество технологических процессов сварки (более 70).

Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.

17. Дать определение понятиям «сплав», «металлический сплав». Перечислить типы сплавов. Охарактеризовать типы сплавов.

Металлический сплав получают сплавлением 2-х или более металлов, спеканием порошков нескольких металлов.

Элемент, входящий в состав сплава, называется компонентом.

Компонент, преобладающий в сплаве количественно называется основным.

Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими.

Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы классифицируются:

1. По числу компонентов – 2-х, 3-х, многокомпонентные;

2. По основному элементу – железные, алюминиевые, магниевые, медные.

3. По применению – конструкционные, инструментальные, жаропрочные, антифрикционые, пружинные.

4. По плотности – тяжелые (на основе вольфрама, свинца); легкие (алюминиевые, магниевые)

5. По температуре плавления – тугоплавкие (сплавы на основе молибдена, вольфрама); легкоплавкие (припои, баббиты)

По технологии изготовления изделий – литейные, деформируемые, спеченные, гранулированные

18.Изложить основные свойства алюминия. Перечислить виды алюминиевых сплавов.

Механические свойства алюминия сравнительно невысоки, он имеет небольшую твердость и прочность. Ценными технологическими свойствами алюминия являются его высокая пластичность и свариваемость. Относительное удлинение алюминия 40 %. Высокая пластичность позволяет раскатывать его в очень тонкие листы. Алюминий легко подвергается горячей и холодной обработке давлением, а также хорошо сваривается различными видами сварки.

Алюминий и его сплавы не теряют пластичность при отрицательных температурах, поэтому из них изготовляют сосуды для хранения криогенных жидкостей (жидкого азота), теплообменники для сжижения гелия и др.

Высокая отражательная способность алюминия используется для производства мощных рефлекторов, зеркал, больших телевизионных экранов, антенн и др.

В последнее время увеличилось применение алюминия в строительстве (оконные рамы, двери, фасады домов, поручни и т.д.).

Основная же масса алюминия расходуется на производство алюминиевых сплавов, которые благодаря малой плотности и достаточной прочности широко используются в машиностроении, авиационной технике, в судостроении и в других отраслях.

В результате легирования алюминия различными элементами получаются сплавы с достаточно высокой прочностью, малой плотностью и хорошими технологическими свойствами. Однако примеси понижают электро- и теплопроводность алюминия, коррозионную стойкость и пластичность, повышается одновременно его прочность и твердость.

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются медь, магний, кремний, марганец и цинк. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием сплавы типа твердых растворов.

По технологии изготовления сплавы на основе алюминия подразделяются на две основные группы – деформируемые и литейные.

К деформируемым относятся алюминиевые сплавы, перерабатываемые в изделия различными методами обработки давлением. Как правило эти сплавы содержат около 4 % меди, 0,5 % магния, а также марганец и железо. Деформируемые сплавы характеризуются сравнительно невысокой прочностью, но хорошей пластичностью. Эти сплавы хорошо свариваются практически всеми видами сварки.

Деформируемые сплавы используются для изготовления обработкой давлением различных полуфабрикатов – листов, плит, прутков, фасонных профилей, труб, проволоки и др.

Наиболее распространенными деформируемыми сплавами являются дуралюмины (от французского dur – твердый). Марки этих сплавов обозначают буквой Д и цифрами, которые являются условными номерами сплавов, например Д1, Д16, Д18 и др. Дуралюмины более высокого качества (более чистые по примесям) обозначают буквой А, например Д16А.

Для повышения механических свойств дуралюмины подвергают различным способам термической обработки.

Дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью, особенно во влажной атмосфере, речной и морской воде. Для повышения коррозионной стойкости большая часть листового дуралюмина выпускается в плакированном состоянии. Сущность плакирования состоит в том, что на обе поверхности листа наносят тонкий защитный слой из чистого алюминия и подвергают совместной горячей прокатке. Толщина этого слоя составляет 3…5 % от толщины листа.

Под названием авиаль (авиационный алюминий) марок АД31, АД33, АД35 и др. выпускаются алюминиевые сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости. При этом в качестве легирующих добавок используют магний и кремний.

По сравнению с дуралюминами сплавы данной группы уступают им по прочности, но более пластичны как в горячем, так и в холодном состоянии и обладают лучшей коррозионной стойкостью. Высокая пластичность сплавов позволяет подвергать их штамповке, вытяжке, изготовлять из них полые профили.

Сплавы данной группы широко применяются в легкой, авиационной промышленности, судостроении и строительстве, где требуется сочетание высокой пластичности, коррозионной стойкости и декоративного вида.

Наиболее распространенными литейными сплавами на основе алюминия являются сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами. Они маркируются буквами АЛ (алюминиевый литейный) и порядковой цифрой, которая какой-либо информации о составе и свойствах сплава не несет, например АЛ1, АЛ2, АЛ4 и др.

Силумины характеризуются высокими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью и малой усадкой) и достаточной коррозионной стойкостью. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются. Применяются для изготовления отливок ответственного назначения (блоки двигателей, поршня цилиндров и др.) и сложной формы.

19. Раскрыть сущность понятия о специальных видах литья. Охарактеризовать процесс получения отливок в кокиль

К специальным способам литья относятся литьё в постоянные металлические формы, литьё по выплавляемым моделям, литьё в оболочковые формы, центробежное литьё, литьё под давлением и др.

Основным преимуществом этих способов литья является возможность получать более точные и с лучшей поверхностью отливки, уменьшить потери от брака, сократить расход металла и трудоёмкость механической обработки, а также улучшить санитарно-гигиенические условия и повысить производительность труда.

Литьё в металлические формы. Сущность способа состоит в получении отливок путём заливки расплавленного металла в металлическую форму, называемую кокилем. По конструкции эти формы могут быть неразъёмными и разъёмными. Неразъёмные кокили применяют для получения отливок сравнительно простой конфигурации, которые можно удалять без разъёма формы. Чаще всего используются разъёмные кокили, состоящие из двух и более частей. В таких кокилях можно получать более сложные и крупные отливки.

Металлические формы изготовляют из серых чугунов или легированных сталей. Стойкость кокилей зависит от материала и размеров отливки и самого кокиля.

Для увеличения срока службы кокиля и улучшения качества отливок внутреннюю поверхность форм покрывают облицовками и красками, которые образуют тонкое огнеупорное покрытие. Облицовки и краски наносят пульверизатором или кистью. Для чугунных отливок облицовку наносят два-три раза в смену до 1мм, окраску — перед заливкой на слой облицовки.

Внутренние полости в отливках получают путём применения металлических стержней, изготовляемых чаще всего из сталей марок У7, У8, У10. Для образования полости сложной конфигурации наряду с металлическими могут применяться и песчаные стержни.

Кокиль с вертикальной плоскостью разъёма показан на рис.43.

Рабочая температура кокиля зависит от вида заливаемого сплава и находится в пределах 200…300 °С. Эта температура поддерживается в течение всего процесса работы. Заливка металла в холодный кокиль может привести к выбросу металла. Кроме того, подогрев формы смягчает тепловой удар, который испытывают её рабочие поверхности в момент заливки металла, и тем самым удлиняет срок службы формы.

Литьё в кокили применяется в основном при изготовлении деталей из цветных сплавов, обладающих меньшей температурой плавления и меньшей склонностью к образованию трещин. Стойкость металлических форм при заливке алюминиевых сплавов доходит до 300 тыс. заливок, а при отливке чугунных деталей обычно не превышает 150…300 заливок.

Технологический процесс кокильного литья состоит из следующих основных операций: подготовка кокиля к заливке (окраска, сборка, подогрев), его заливка жидким металлом, охлаждение отливки до её затвердевания, раскрытие кокиля и удаления из него отливки, удаления литников и зачистка отливки.

В массовом и серийном производстве применяют специальные машины для литья в металлические формы. При этом механизируются операции по закрыванию и открыванию форм, выемке отливок, установке и выемке стержней, выбивке отливок из формы.

Литьё в кокиль, особенно с использованием специальных литейных машин, позволяет в 3…4 раза повысить производительность по сравнению с литьём в песчано-глинистые формы.

Кроме того, при литье в металлические формы улучшаются механические свойства отливок, что обусловлено высокой скоростью охлаждения залитого металла; примерно на 30…40 % уменьшается брак отливок; снижается трудоёмкость заливки, выбивки и очистки литья; резко сокращаются грузопотоки и необходимые площади производственных и складских помещений; примерно на 25…30 % становится меньшей себестоимость отливок; значительно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Однако этому способу присущ ряд существенных недостатков. Главными из них являются высокая трудоёмкость изготовления металлических форм, особенно для производства фасонных отливок со сложными внутренними и внешними очертаниями; трудность получения тонкостенных отливок, что обусловлено высокой теплопроводностью стенок формы и возможностью преждевременного затвердевания металла в тонких сечениях отливки.

Область применения кокильного литья достаточно обширна, особенно для изготовления отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов сравнительно несложной формы.

20 .Перечислить виды диаграмм состояния двойных систем сплавов. Объяснить принцип их построения. Проанализировать превращения, которые протекают по всем критическим линиям диаграммы. Основные типы диаграмм состояния сплавов.

Для характеристики изменений структуры сплавов в зависимости от состава и температуры строят диаграммы состояния.

1. Диаграмма состояния строится с помощью термического анализа металлов и сплавов. Сущность метода сводится к определению критических точек металлов и сплавов, для этого строят кривые охлаждения, которые выражают графическую зависимость между – изменением температуры металла (сплава) при охлаждении и времени, в течении которого эти изменения происходят (Т).

Температуры начала и окончания фазовых превращений, определенные по кривым охлаждения, называются критическими.

На основании кривых охлаждения строится диаграмма состояния сплавов.

2. Диаграмма состояния двойных сплавов – характеризует сплавы, компоненты которых, обладают полной взаимной растворимостью, как в жидком и в твердом состоянии не образуя химических соединений.

3. Диаграмма состояния двойных сплавов – характеризует сплавы, образующие при затвердевании механическую смесь ( в жидком состоянии неограниченно растворимые друг в друге, в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химического соединения).

4. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии – характеризует сплавы у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограничено – в твердом и образует при кристаллизации эвтектику.

5. Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением – характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение.

21. Раскрыть понятие «пайка» металлов. Дать краткую характеристику методам технологического процесса пайки.

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей. Протекает процесс взаимного растворения металла деталей и припоя, в результате чего образуется сплав, более прочный, чем припой.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава.

По температуре плавления припои подразделяют на особо легкоплавкие (температура плавления ниже 145 ⁰С), легкоплавкие (145…450 ⁰С), среднеплавкие (450…1100 ⁰С) и тугоплавкие (выше 1050 ⁰С).

• К особо легкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, олова, цинка, свинца.

• К среднеплавким и тугоплавким относятся припои медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной).

Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения.

При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов.

Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие.

Для пайки наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота, канифоль, хлористый цинк, фтористый калий.

Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмосфере или в вакууме.

В зависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погружением (в металлическую или соляную ванну), электрическую (дуговая, индукционная, контактная), ультразвуковую.

В единичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с местным нагревом посредством паяльника или газовой горелки.

В крупносерийном и массовом производстве применяют нагрев в ваннах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты.

Процесс пайки включает: подготовку сопрягаемых поверхностей деталей под пайку, сборку, нанесение флюса и припоя, нагрев места спая, промывку и зачистку шва.

22. Дать понятие о модельном комплекте. Охарактеризовать материалы для изготовления моделей в литейном производстве. Перечислить операции, из которых состоит процесс получения отливок.

Технологический процесс литья в земляные формы складывается из следующих основных стадий: изготовления модельных комплектов, приготовления формовочных и стержневых смесей, изготовления форм и стержней, сборки форм , получения литейного сплава, заливки форм, выбивки отливок из форм , их очистки и обрубки.

Модельным комплектом называют технологическую оснастку, включающую литейную модель, стержневой ящик, модельные плиты и модели литниковой системы.

Модель служит для образования отпечатка, соответствующего наружной конфигурации отливки. Модель представляет собой несколько видоизменённую копию отливки. Размеры модели выполняются с учётом усадки и припусков на последующую механическую обработку. В зависимости от конфигурации детали модели выполняются цельными или разъёмными. При этом конфигурация модели должна обеспечивать извлечение её из формы без нарушения полученного отпечатка. В большинстве случаев модели выполняются из двух половинок – верхней и нижней, соединяемых по плоскостям разъёма.

Стержневой ящик представляет собой инструментальную оснастку , предназначенную для получения стержней. В индивидуальном и мелкосерийном производствах модели и стержневые ящики изготавливаются обычно деревянными, в массовом производстве вся модельная оснастка выполняется металлической, чаще всего из алюминиевых сплавов.

В моделях предусматриваются знаки – специальные выступы, образующие в форме углубления , куда устанавливаются перед заливкой стержни .

Модельная плита предназначена для закрепления на ней одной или нескольких моделей и элементов литниковой системы.

Для вывода газов из полости формы и для контроля заполнения её жидким металлом устраиваются вертикальные каналы – выпоры , располагающиеся на наиболее высоких частях отливки. С целью предотвращения образования усадочных раковин над массивными частями отливки в литейных формах предусматривают специальные полости – прибыли, питающие жидким металлом отливку в процессе кристаллизации. При наличии прибыли усадочная раковина образуется не в отливке, а в прибыли.

23. Перечислить структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Охарактеризовать их. Изобразить диаграмму железо-цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Feα. Максимальная растворимость углерода достигает 0,02 % при 727 °С и меньше 0,006 % при комнатной температуре. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. При температуре 1147 °С аустенит содержит около 2 % углерода, а при 727 °С – всего лишь 0,8 %. Аустенит немагнитен. Атом углерода расположен в центре элементарной ячейки. Аустенит пластичен, имеет низкие значения предела прочности и твердости.

Графит – свободно выделившийся углерод, наблюдаемый в сплавах с содержанием углерода более 2 %. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он имеет слоистое строение, и обладает низкой твердостью. Плотность графита 2,25 г/см³. В отличие от всех других материалов предел прочности графита увеличивается при повышении температуры. Графит имеет высокую электро- и теплопроводность, а также химическую стойкость.

Цементит имеет сложную ромбическую решетку и проявляет металлические свойства. При нормальных условиях цементит очень тверд и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210 °С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве.

Перлит – это эвтектоид(аналогично эвтектике), представляющий собой механическую смесь мелких, различной величины пластинок цементита в ферритной основе, содержание углерода составляет 0,8 %. Такое название это структурная составляющая получила за блеск, который имеет отполированный и протравленный шлиф стального образца и который похож на блеск перламутра. Чередующиеся пластинки цементита и феррита обуславливают хорошую обрабатываемость перлита на металлорежущих станках. Твердость перлита – 160…200 НВ.

Все сплавы, имеющие концентрацию углерода до 0,8 %, называются доэвтектидными сталями. Они имеют в структуре феррит и перлит. Сплавы, в которых концентрация углерода меняется от 0,8 до 2,0 %, называются заэвтектоидными. Структура этих сталей состоит из перлита и цементита. Эвтектоидные стали с содержанием углерода 0,8 %, имеют перлитную структуру.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при концентрации углерода 4,3 % в диапазоне температур 1147 °С…727 °С. При температурах ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, и ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. В качестве структурной составляющей ледебурит присутствует в сплавах с содержанием углерода более 2 %, отличается высокой твердостью и хрупкостью.

Наличие тех или иных фаз и структурных составляющих в железо – углеродистых сплавах и определяет их физико-механические и технологические свойства.

24..Перечислить физико-механические свойства пластмасс. Раскрыть классификацию пластических масс, достоинства и недостатки пластмасс.

Классификация и структура полимеров. По происхождению полимеры разделяют на природные, синтетические и искусственные. Типичными представителями природных полимеров являются целлюлоза, крахмал, натуральный каучук. Синтетические полимеры представляют собой продукт синтеза, т.е. целенаправленного получения сложных веществ из более простых. Искусственные полимеры получают путём обработки (т.е. модифицирования) природных. Например, искусственный полимер – нитроцеллюлозу получают нитрированием целлюлозы.

По химическому составу макромолекул различают органические, неорганические и элементоорганические полимеры.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. К органическим полимерам относят соединения, молекулы которых содержат атомы углерода, водорода, азота, хлора, фтора, входящие в состав главной цепи и боковых групп.

Элементоорганические полимеры содержат в составе основной цепи неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, которые сочетаются с органическими радикалами. В природе такие соединения не встречаются. Наиболее известными среди этого класса материалов являются кремнийорганические соединения или силиконы.

Неорганические полимеры – это соединения, которые не содержат в составе макромолекул атомов углерода. Это, например, силикатные стёкла, керамика, слюда, асбест. Основу этих полимеров составляют атомы кремния, магния, алюминия и др.

Полимерные материалы изменяют свои свойства под воздействием температуры. По этому признаку различают термореактивные и термопластичные полимеры.

Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании выше определённых температур, характерных для данного типа полимеров, становятся неплавкими и практически нерастворимыми.

Термопластичные полимеры (термопласты) могут многократно расплавляться и вновь отвердевать при повышении температуры. Это позволяет изношенные и бракованные детали из термопластов, а также различные отходы их переработки утилизировать и вновь перерабатывать. Свойства полимера при этом существенно не изменяются.

Свойства полимеров. Полимерным материалом свойственны только два агрегатных состояния – твёрдое и жидкое. Переход макромолекул в газообразное состояние без разрушения связей основной цепи, т.е. без деструкции, невозможен. Это объясняется тем, что физические связи между макромолекулами значительно сильнее химических связей между отдельными звеньями в цепи.

Основные виды полимеров. К числу наиболее распространённых полимеров, используемых в качестве конструкционных материалов, а также лаков, красок, эмалей, плёнок, волокон относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, фторопласт, полиметилметакрилат, а также фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные смолы.

Композиционные материалы на основе полимеров. Полимеры во многих случаях являются основой, т.е. связующим для получения различных композиционных материалов, называемых также пластмассами или пластиками. Основу таких материалов называют иногда матрицей. Кроме связующего в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители и другие добавки целевого назначения.

25.Раскрыть понятие древесные материалы. Перечислить их виды, свойства и указать область их применения.

Основе этих материалов — древесине присущ целый ряд ценных свойств:

- высокая удельная прочность;

- хорошая обрабатываемость;

- надежность соединения (склеиванием, гвоздями, шурупами);

- легкая окрашиваемость;

- способность к наполнению компонентами различ­ного состава.

Однако древесине свойственны существенные недо­статки, а именно:

- изменение физико-механических свойств в зави­симости от влажности;

- неоднородность строения, а следовательно, неодинаковость свойств в различных направлениях;

- гигроскопичность;

- склонность к гниению и поражению грибковыми заболеваниями;

- повышенная горючесть.

В зависимости от вида древесного наполнителя, ха­рактера его распределения, типа связующего, техноло­гии изготовления различают следующие виды древесных материалов:

- древесно-слоистые пластики (ДСП); Для пропитки шпона используют растворы термореактивных смол, возможно использова­ние и термопластов.

- древопластики; Для повышения стойкости древопластиков к воздей­ствию ударных и изгибающих нагрузок, их прочности и твердости в состав композиций вводят армирующие компоненты:- металлическую сетку; стружку, волокна и ткани различного состава

- композиционные древесные пластики (ДКП). Материалы такого типа используют при отделке кабин и кузовов автомобилей.

26. Начертить диаграмму состояния железо-цементит. Указать структуры во всех областях диаграммы. Выполнить разделение диаграммы железо-цементит по содержанию углерода.

Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - являются основными конструкционными материалами современной техники. По объему производства чугуны и стали намного превосходят производство всех остальных металлов.

Высокая прочность, достаточная пластичность, возможность изменять свои свойства при различных видах теплового воздействия, а также хорошая обрабатываемость на металлорежущих станках позволяют считать сплавы железа одними из самых универсальных машиностроительных материалов.

Свойства сталей и чугунов и возможности их применения и обработки определяются внутренним строением.

Основные представления о строении железо - углеродистых сплавов дает диаграмма состояния железо-углерод.

Железо и углерод – элементы полиморфные.

Железо – это серебристый металл, плотность которого равна 7,86 г/см³ и температура плавления 1539 °С. Технически чистое железо имеет низкую твердость (НB 80) и сравнительно невысокую прочность (δв = 250 МПа), но высокую пластичность (δ=50 %). Механические свойства железа зависят от степени его чистоты.

Железо имеет две аллотропические модификации Fe_α и Fe_γ. Модификация Fe_α существует при температурах от 1539 °С до 1392 °С и ниже 910°С, имеет решетку объемно–центрированного куба. Модификация Feγ существует в интервале температур от 910 до 1392 °С и имеет гранецентрированную решетку (рис.22). При температуре 768 °С называемой точкой Кюри, происходит магнитное превращение железа: ниже этой температуры железо магнитно, а выше – немагнитно. С изменением температуры происходит превращение Feα в Feγ при нагреве и Feγ в Feα при охлаждении. Изменение кристаллической решетки обуславливает изменение свойств железа.

Вторым компонентом железо - углеродистых сплавов является углерод. Углерод – неметаллический элемент с плотностью 2,25 г/см³ и температурой плавления около 3500 °С. Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. В сплавах углерод присутствует в свободном состоянии в виде графита или же может находиться в химическом соединении с железом в виде карбида железа Fe₃С, называемого цементитом. Соответственно существуют две диаграммы состояния сплавов железо – углерод: цементитная и графитная.

Поскольку в практике используется в основном данные системы Fe – Fe₃С, то ниже рассмотрим в несколько упрощенном виде цементитную диаграмму. Общий вид этой диаграммы приведен на рис.23. Небольшое количество углерода по диаграмме (6,67 %) соответствует максимальному его содержанию в цементите. При большем количестве углерода все железо может быть связано химически в Fe₃С, в результате получится система Fe₃С – С, которая практического значения не имеет в виду небольшой прочности сплавов этой системы. Следовательно, компонентами сплавов железо – углерод будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой – цементит Fe₃С. Точка A соответствует температуре плавления чистого железа (1539 °С), а точка D – температуре плавления цементита (1550…1600 °С). При определенных условиях цементит распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение главным образом для высокоуглеродистых сплавов – чугунов. На построенной диаграмме ось абсцисс двойная: содержание углерода и содержание цементита. В начальной точке – 100 % железа и 0 % углерода. Затем концентрация углерода увеличивается, а железа уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании углерода 6,67 %.

Линия ACD на диаграмме является линией ликвидус. Следовательно, в зависимости от содержания углерода процесс кристаллизации сплавов железо – углерод начинается при температурах, отложенных на этой линии.

Конец затвердевания сплавов происходит при температурах, отложенных на линии AEСF, являющейся линией солидус. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в Feγ (2,0 %) при температуре 1147 °С.

В соответствии с двумя аллотропическими формами железа в системе Fe – C образуется два твердых раствора. Твердый раствор внедрения углерода в Feα называется ферритом (от Ferrum – железо), а в Feγ – аустенитом (по имени английского ученого Р. Аустена).

Кристаллы аустенита начинают выпадать из жидкого раствора по линии AС. Следовательно, в области AСE будет находиться смесь двух фаз – жидкого раствора и аустенита. По линии СD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита, а в области диаграммы СFD находится смесь также двух фаз – жидкого раствора и цементита.

В точке С при массовом содержании углерода 4,3 % и температуре 1147 °С имеет место одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образование эвтектики, называемой ледебуритом (по имени немецкого ученого А. Ледебура).

Сплавы с содержанием углерода до 2,0 % называются сталями. Эти сплавы после полного затвердевания в равновесных условиях имеют структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE вторичного цементита. Точка S при 727 °С и массовом содержании углерода 0,8 % показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита. При понижении температуры ниже 727 °С весь аустенит распадается и одновременно образуется механическая смесь фаз феррита и цементита, называемая перлитом.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода больше 2,0 % называют чугунами. Чугуны, содержащие 4,3 % углерода, называются эвтектическими. В структуру доэвтектических чугунов входит ледебурит и распавшийся избыточный аустенит. Структура заэвтектического чугуна состоит из цементита и ледебурита. Эти чугуны в промышленности применяются сравнительно редко ввиду их чрезмерной твердости и хрупкости.

27. Раскрыть понятие «мягкая резина», «армированная резина». Объяснить способы получения армированной резины. Перечислить свойства и область применения резины.

Основой любой резины является каучук.

По происхождению каучуки подразделяются на натуральные и синтетические. Натуральный каучук является природным высокомолекулярным соединением растительного происхождения..

Резина из натурального каучука обладает высокой механической прочностью и эластичностью в значительном интервале температур.

Основные ценные эксплуатационные свойства – достаточную эластичность и упругость в сочетании с хорошей прочностью, теплостойкостью и хладостойкостью – каучуки приобретают лишь после вулканизации, в результате которой между линейными молекулами образуются поперечные химические связи, в результате чего каучук приобретает пространственную сетчатую структуру. С этой целью, т.е. для образования пространственной структуры, в состав каучуков вводят специальные вещества – вулканизаторы. В качестве вулканизатора наиболее часто используется сера, Смесь каучука с вулканизатором, например, серой называется сырой резиной. В мягких сортах резины серы содержится до 3 %. С увеличением количества вулканизатора, а, следовательно, и густоты пространственной сетки, жёсткость резины увеличивается. В твёрдых резинах, называемых эбонитами (от греч. еbenos – чёрное дерево) серы содержится 25…32 %.

Кроме каучука и вулканизатора, в зависимости от назначения изделия, в состав резины входят ускорители вулканизации, мягчители (жирные кислоты, вазелин, парафин), наполнители (сажа, цинковые белила, каолин), красители, противостарители и ингредиенты специального назначения. Ускорители сокращают время вулканизации, уменьшают расход серы, позволяют снизить температуру процесса. В качестве ускорителей применяют оксиды магния, свинца, цинка и др.

Для облегчения технологических операций в резиновые смеси вводят вещества, предотвращающие преждевременную вулканизацию; волокнистые наполнители (асбест), повышающие морозостойкость; абразивную пыль, придающую резине свойства шлифующих материалов; тканевые наполнители, позволяющие получать транспортные ленты, ремни для плоско- и клиноременных передач, прорезиненные ткани, обувь и др.

.По назначению готовые резины (вулканизаты) делятся на две основные группы – общего и специального назначения. Резины общего назначения получают главным образом на основе бутадиеновых, изопреновых, хлоропреновых каучуков и их комбинаций. Эти резины работоспособны в интервале температур от 50 до 150 ⁰C. Они используются главным образом для изготовления шин, транспортных лент, приводных ремней, обуви и т.п.

Резины специального назначения используются для производства изделий с особыми свойствами – химически стойких, масло- и бензостойких, морозо- и теплостойких, радиационно-стойких. Кроме того, на основе некоторых видов каучуков и соответствующих наполнителей получают электропроводящие и магнитные резины, а также резины для электрических проводов и кабелей (так называемые диэлектрические резины).

28. Дать определение понятию «отпуск» стали. Охарактеризовать процесс проведения отпуска стали. Перечислите виды отпуска стали.

Таким образом, в сталях в процессе закалки возникают остаточные напряжения термического и структурного происхождения. Кроме того, закаленные стали, особенно имеющие структуру мартенсита, имеют высокую хрупкость. Для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости и получения требуемой структуры и механических свойств закаленной стали, ее подвергают конечному процессу термической обработки – отпуску. В практике термообработки используют три вида отпуска – низкий, средний и высокий, а также операцию искусственного старения.

Низкий отпуск заключается в нагреве стали до температуры 150...200 ºС, выдержке в течение 1,0...1,5 ч в зависимости от размеров детали и последующего охлаждения. Твердость стали при этом практически не снижается, а прочность и вязкость повышаются. Этот вид отпуска применяют в основном для режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, прошедших поверхностную закалку и химико-термическую обработку.

Среднему отпуску подвергаются углеродистые и легированные стали, из которых изготавливают пружины, рессоры и некоторые виды штампового инструмента. Схема такого отпуска включает нагрев до 300…450 ºС, выдержку продолжительностью от 1…2 до 3…8 ч в зависимости от размеров деталей и охлаждение, выполняемое, как правило, на воздухе. В результате среднего отпуска мартенсит закаленной стали переходит в структуру троостита, наилучшим образом сочетающую сравнительно высокую твердость и прочность с хорошей упругостью и достаточной вязкостью.

Высокий отпуск назначают в основном для конструкционных среднеуглеродистых сталей, для которых его совмещение с закалкой дает наилучшее сочетание прочности и вязкости. Процесс отпуска включает нагрев до 500…650 ºС, выдержку в течение 1…8 ч в зависимости от размеров деталей и последующее охлаждение на воздухе. Высокий отпуск применяется главным образом для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках (валы, оси и др). В результате происходит практически полное снятие внутренних напряжений и образование структуры, называемой сорбитом отпуска.

Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением. Улучшенные стали обладают высокими показателями пределов текучести, выносливости и ударной вязкости. Остаточные напряжения в течение 1,5…2 – часовой выдержки практически полностью снимаются, но при этом снижается твердость.

29. Раскрыть сущность понятие « литейное производство». Перечислить виды литья. Приведите примеры материалов, обладающих хорошими литейными свойствами.

Литейное производство – это технологический процесс получения металлических заготовок (отливок) путём заливки расплавленного металла в специально приготовленные формы. Система каналов, через которые литейная форма заполняется жидким металлом, называется литниковой системой.

В литейном производстве применяются сплавы, обладающие высокими литейными качествами : высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, небольшой ликвацией и малым газопоглощением. Основными из таких сплавов являются чугуны и стали, бронзы, латуни, сплавы магния, цинка и другие металлы и сплавы. Наиболее широко используются чугун и сталь. В частности, чугунные отливки по массе составляют около 75 % от производимого литья, а стальные – более 20 %.

В зависимости от масштабов производства, размеров и форм отливок они могут быть получены различными способами. Основными из них являются литьё в песчано-глинистые формы, литьё по выплавляемым моделям, в постоянные металлические формы (литьё в кокиль), в оболочковые формы, литьё под давлением, центробежное литьё.

30. Раскрыть сущность понятия «легированная сталь». Раскрыть влияние легирующих элементов на свойства стали. Расшифруйте марки стали: ШХ15; Р18; 12Х18Н9; 20ХН3А. Углеродистые конструкционные стали не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к металлам в современном машиностроении.

Для улучшения механических и технологических свойств сталей в их состав вводят некоторые химические элементы, называемые легирующими добавками. Процесс этот называют легированием, а получаемые стали легированными. В качестве легирующих добавок используют обычно хром, никель, молибден, марганец и другие элементы. При этом марганец и кремний, которые всегда присутствуют в сталях в качестве постоянных примесей, считаются легирующими добавками, если их содержание превышает 1 %.

Вводимые легирующие элементы позволяют изменять не только механические, но и физико-химические свойства сталей. В частности, с помощью легирования можно существенно повысить жаропрочность и жаростойкость сталей, придать им коррозионную устойчивость в различных агрессивных средах, изменить их электрические и магнитные свойства.

Легированная конструкционная сталь может содержать один или несколько легирующих элементов, улучшающих ее свойства. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, марганец, кремний и никель. Другие элементы (вольфрам, молибден, ванадий и др.) вводят в сталь для дополнительного улучшения свойств. Путем легирования стали несколькими элементами требуемые свойства достигаются полнее и легче.

Следует отметить, что комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой (см. ниже), в результате которой получается необходимая структура стали.

Как правило, стоимость легированных сталей значительно выше, чем углеродистых. Кроме того многие из легирующих добавок относятся к числу достаточно дефицитных и дорогих металлов. Поэтому, исходя из экономических соображений, легированные стали применяют только в тех случаях, когда углеродистые конструкционные стали, по каким-либо причинам, не удовлетворяют эксплуатационным условиям.

Рассмотрим влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали.

Хром, широко применяемый для легирования, повышает твердость и прочность стали при одновременном незначительном понижении пластичности. Благодаря высокой износоустойчивости хромистой стали из нее изготавливают подшипники качения. При содержании хрома выше 13 % сталь становится нержавеющей. Дальнейшее увеличение содержания хрома увеличивает антикоррозионные свойства сталей и при более высоких температурах. Обычно в конструкционных сталях хрома содержится до 3 %.

Одним из ценных легирующих элементов является никель. В конструкционных сталях его содержится от 1 до 5 %. Кроме прочности, присутствие никеля придает стали высокую пластичность и вязкость. Никель используют в значительных количествах, когда необходимо получить немагнитную сталь. Для легирования инструментальных сталей никель не применяется.

Вольфрам и молибден являются достаточно дефицитными элементами и вводятся в конструкционные стали в количестве не более 1 %. Введение этих элементов повышает прочность и твердость сталей, но незначительно снижает пластичность и вязкость. Кроме того, вольфрам способствует образованию мелкозернистой структуры. Наиболее ценными свойствами молибдена является жаропрочность стали.

Марганец и кремний являются недорогими легирующими добавками. Они содержатся в сталях в количестве до 2 %. Марганец способствует глубокой прокаливаемости стали и улучшает ее механические свойства. Кремний, кроме того, повышает упругость стали при сохранении ее вязкости, что важно для пружинных и рессорных сталей. Повышение содержания кремния увеличивает магнитные свойства стали.

Легированные конструкционные стали классифицируют по различным признакам.

По химическому составу различают стали хромистые, марганцовистые, хромомарганцевые, хромокремнистые и др.

По степени легированности стали подразделяют на низколегированные (содержат не более 3 % легирующих элементов), среднелегированные (от 3 до 10 %) и высоколегированные (выше 10 %).

По назначению конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и пружинно-рессорные.

Химический состав легированной стали обуславливает ее свойства, область применения и стоимость. Поэтому он должен быть отражен в наименовании и марке стали.

С этой целью разработана система условных обозначений марок легированных сталей, состоящих из сочетания цифр и букв. Согласно этой системы легирующие элементы обозначают следующими буквами: никель – Н, хром – Х, вольфрам – В, ванадий – Ф, молибден – М, кремний – С, марганец – Г, алюминий – Ю, титан – Т, фосфор – П. Первые цифры марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, следующие за буквами, означают среднее содержание данного элемента в стали в процентах. Если за какой-либо буквой отсутствует цифра, то это означает, что содержание этого элемента в стали не превышает 1,5 %.

Буква А в конце марки указывает на принадлежность этой стали к высококачественным.

Например, сталь 18Х2Н4МА содержит в среднем 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибдена и пониженное содержание вредных примесей фосфора и серы.

Одна цифра перед маркой соответствует содержанию углерода в десятых долях процента. Например, сталь 2Х18Н9 содержит 0,2 % углерода, 18 % хрома и 9 % никеля.

Отсутствие цифр перед маркой стали означает, что углерода в стали содержится около 1 %. Например, в стали Х6ВФ имеется 1,0…1,2 % углерода, 6 % хрома, 1 % вольфрама и 1 % ванадия.

Некоторые высоколегированные стали, выделены в отдельные группы, их обозначают буквами, которые ставятся впереди: буква Ш – шарикоподшипниковые стали; Р – быстрорежущие стали; Е – электротехнические стали с особыми магнитными свойствами.