Технология конструкционных материалов 4 (стр. 3 из 6)
В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.
Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой — номером стали, например Ст3, Ст5 и т. д. Группа стали указывается соответствующей буквой в начале марки — БСт1, ВСт6 (в марке стали группы А такая буква не ставится — Ст4). В марке указывается также степень раскисления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце — категория — Ст2кп3; ВСт4кп4 (первая категория не указывается — Ст1сп).
Качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050—88) отличаются меньшим содержанием серы и фосфора (≤0,04 %), в них строже регламентируется содержание других элементов, неметаллических примесей.
Эти стали маркируют числами 08, 10, 15, 20...85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления они могут быть также кипящими, полуспокойными или спокойными.
Из конструкционных сталей выделяются так называемые автоматные стали с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в основном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08—0,30 %) и фосфора (до 0,15 %). Сера образует в стали сульфид MnS, оказывающий смазывающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании.
Автоматные стали маркируют буквой А и числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.
2. Инструментальные стали подразделяют на качественные: У7, У8...У12, У13 и высококачественные: У7А, У8А... У12А, У13А. Числа в марке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь,
Легированные стали
Легированными называют стали, в которых содержатся специально введенные (легирующие) элементы, изменяющие их свойства. К таким элементам относятся: Cr, Ni, Mo, V, Ti и др. Марганец в количестве свыше 1 % и кремний свыше 0,5 % также являются легирующими.
Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами: В — вольфрам, Г — марганец, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Т — титан, Ф —- ванадий, X — хром, Ю — алюминий.
Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв — среднее содержание обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni и около 1 % W.
При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5 % С, 12 % Cr и 0,5 % Мо.
Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш — шарикоподшипниковые; Р — быстрорежущие; Е — магнитные и др.
Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные — буквами ЭП и условным номером (ЭП54).
Легированные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.
К конструкционным легированным сталям относятся стали, применяемые для изготовления цементуемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаропрочные, износо- и коррозионно-стойкие стали. Эти стали легируют разнообразными элементами — Mn, Ni, Si, Cr, Mo, Ti, Al и др.
К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообразующими элементами — Cr, W, V, Мо и др.
К сталям и сплавам со специальными физическими свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием никеля, хрома, кобальта и других элементов.
Серые чугуны
Серые чугуны, как и углеродистые стали, также содержат постоянные примеси, но в больших количествах (3—3,5 % С; 1,5—3 % Si, около 0,5 % Мп, до 0,12 % S и 0,3—0,8 % Р).
Графит в сером чугуне выделяется в виде пластинок, хлопьев или шариков; основа чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной или перлитной (рис. 11).
1. Чугуны с пластинчатым графитом называют обычными серыми (рис. 11, а). Наличие пластинчатых включений графита, представляющих по существу пустоты с острыми надрезами, обусловливает низкие механические свойства серого чугуна. Предел его прочности при растяжении 100—450 МПа, относительное удлинение δ = 0,2…0,8 %, ударная вязкость не превышает 0,1 МДж/м2.
Механические свойства чугунов обусловливаются их структурой, определяемой не только химическим составом, но и условиями затвердения. Поэтому стандарты регламентируют не химический состав чугунов, а их свойства. Эти свойства и указываются в марках. Например, марка серого чугуна СЧ15 обозначает обычный серый чугун (СЧ) с пределом прочности при растяжении 150 МПа.
2. Ковкие чугуны (рис. 11, б) получают из белых. Для этого отливки из белого чугуна подвергают длительному отжигу, в результате чего цементит распадается с выделением графита в виде хлопьев. Такие включения в меньшей мере разобщают основу, поэтому ковкий чугун прочнее и пластичнее обычного серого, имеет большую ударную вязкость. Предел прочности его составляет 300—630 МПа, относительное удлинение δ = 2…12 %. Это позволяет применять ковкий чугун для изготовления деталей, работающих при умеренных ударных нагрузках. Обозначают ковкие чугуны буквами КЧ, первое число в марке указывает предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение, например КЧ 33—8.
3. Высокопрочные чугуны (рис.11, в) получают при модифицировании серого чугуна магнием или церием. При этом образуется графит шаровидной формы, исключающий острые надрезы в металлической основе. Поэтому механические свойства этого чугуна значительно повышаются: предел прочности при растяжении достигает 1200 МПа, относительное удлинение составляет 2…17%, а ударная вязкость — 0,2— 0,6 МДж/м2. Такой чугун в ряде случаев является полноценным заменителем стали. Обозначают его буквами ВЧ и числами, имеющими то же значение, что и в марке ковкого чугуна, например ВЧ 80—3.
Медь и ее сплавы
Медь — металл красного цвета с плотностью 8,9 г/см3 и температурой плавления 1083 °С. В отожженном состоянии медь обладает прочностью σв ≈ 250 МПа, твердостью НВ ≈ 45, большой пластичностью (δ = 50 %), тепло- и электропроводимостью, хорошей коррозионной стойкостью.
Сплавы на основе меди подразделяют на латуни и бронзы.
1. Латунями называют сплавы меди с цинком. Цинк в количестве до 39 % образует с медью твердый раствор а — так называемую α-латунь. При большем содержании цинка в сплавах образуется вторая фаза — β — твердый раствор. Двухфазные латуни называют α + β латунями. Наличие в структуре более прочной и твердой β-фазы способствует повышению прочности латуни, однако резко снижает ее пластичность. Поэтому α-латуни используют для деталей, обрабатываемых давлением, прокаткой, штамповкой, а α + β-латуни — деталей, получаемых отливкой и обработкой резанием.
Для повышения прочности и коррозионной стойкости, улучшения некоторых технологических свойств в состав латуней вводят Ni, Pb, Sn, Si и другие элементы. Такие латуни называют сложными.
Латуни обозначают буквой Л и числом, указывающим содержание меди в сплаве (остальное — Zn). Например, латунь Л85 состоит из 85 % Си и 15 % Zn. В марке сложных латуней легирующие элементы обозначают начальными буквами их названий (А — алюминий, К — кремний, О — олово и т. д.), а цифрами — их содержание. Например, марка ЛАН 59-1-1 обозначает латунь, содержащую 59 % Си, 1 % Al, 1% Ni, остальное — Zn.
2. Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием и некоторыми другими элементами.
Бронзы, как и латуни, бывают простыми (БрА5, БрБ2) и сложными. В сложных бронзах, кроме основных, есть легирующие элементы (Ni, Fe, Mn и др.). Например, бронза марки БрА11Ж6Н6 содержит соответственно 11 % А1, 6 % Fe, 6 % Ni, остальное —Си.
Бронзы бывают однофазными, состоящими из одной фазы — твердого раствора, и двухфазными, в которых второй фазой обычно является химическое (металлическое) соединение.
Однофазные бронзы хорошо обрабатываются давлением, их поставляют в виде листов, прутков, труб; двухфазные обладают хорошими литейными свойствами.
Алюминий и его сплавы
Алюминий — серебристо-белый металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660 °С. В отожженном состоянии он обладает прочностью σв = 80 … 100 МПа, большой пластичностью (δ = 45 %), невысокой твердостью (НВ ≈ 25—30), хорошей тепло- и электропроводностью и коррозионной стойкостью.
Для легирования алюминия применяют Си, Si, Mg, Mn, Zn, реже — Ni, Ti, Cr и некоторые другие элементы. Большинство из них в определенных количествах растворяются в алюминии, а затем образуют хрупкую эвтектику. Поэтому алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.
1. Деформируемые алюминиевые сплавы, в свою очередь, подразделяют на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой.
К неупрочняемым термообработкой сплавам относятся сплавы АМц, содержащие до 1,5 % Mn, и АМг, содержащие 1…7 % Mg, до 0,8 % Mn, и добавки Ti, V, Be. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошо свариваются. Из них изготовляют сварные изделия (трубы, баки и т. п).
Алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой, получили название дуралюминов. Они содержат 3—5 % Cu и примерно по 1 % Mg, Mn, Fe, Si. Их обозначают буквой Д и цифрой — условным номером сплава (Д1, Д16 и др.). После термообработки эти сплавы обладают прочностью 450—650 МПа, что позволяет применять их для изготовления деталей, работающих при значительных нагрузках.