Материаловедение. Машиностроительные материалы

К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др.
Наибольшее применение при изготовлении машин получили металлы и их сплавы.

Металлами называются вещества, обладающие высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.
В технике все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе.
К цветным — все остальные металлы и сплавы.

Сплавы железа, содержащие углерода
до 2%, называются сталями;
от 2 до 6,67% - чугунами

Для того чтобы правильно выбрать материал для изготовления деталей машин с учетом условий их эксплуатации, механических нагрузок и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин, необходимо знать внутреннее строение, физико-химические, механические и технологические свойства металлов.

Свойства металлов
Свойства металлов обычно подразделяют на
физико-химические,
механические,
технологические.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Физико-химические свойства связаны со способностью материала взаимодействовать с физическими полями, излучениями, химически активными средами (например, сопротивление коррозии, электросопротивление).

Под механическими свойствами понимают способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил.
К механическим свойствам относят прочность, вязкость, твердость и др.

Прочность характеризует свойство металла или сплава в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия внешних сил.
Важным свойством металла является ударная вязкость — сопротивление материала разрушению при ударной нагрузке.
Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Механические свойства материалов выражаются через ряд показателей (например, пределы прочности при растяжении, относительное удлинение и сужение и т.д.)
Пределом прочности при растяжении (σв, МПа) , или временным сопротивлением разрыву, называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения.

Твердость металлов и сплавов определяют с помощью трех методов, названных по именам их изобретателей:
метод Бринелля (НВ),
метод Роквелла (HRC),
метод Виккерса (HV).
Применение того или иного метода зависит от твердости испытуемого образца, его толщины или толщины испытуемого слоя.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов относятся следующие:
ковкость—свойство металла подвергаться ковке и другим видам обработки давлением;
ж и д к о т е к у ч е с т ь — свойство расплавленного металла заполнять литейную форму во всех ее частях и давать плотные отливки точной конфигурации;
свариваемость — свойство металла давать прочные сварные соединения;
обрабатываемость резанием— свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

Классификация сталей
Стали классифицируют по:
назначению,
качеству,
химическому составу,
структуре.

По назначению стали разделяются на:
конструкционные,
инструментальные,
стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

По категориям качества стали подразделяют на:
обыкновенного качества,
качественные,
высококачественные,
особовысококачественные.
Категории качества зависят от содержания вредных примесей — серы и фосфора, содержания неметаллических включений, однородности структуры, а также размеров и количества дефектов.

По химическому составу стали разделяют на следующие группы:
по содержанию углерода —
на низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,2-0,25 % — эти стали, как правило, не закаливаются),
среднеуглеродистые (0,3-0,65 % С),
высокоуглеродистые (> 0,65 % С);
по содержанию легирующих примесей –
низколегированные (суммарное содержание легирующих примесей (≤ 5 %),
среднелегированные (5-10 %),
высоколегированные (> 10 %).

По структурам классифицируют стали после их термических обработок — отжига или нормализации.
По структурам после нормализации различают следующие классы легированных сталей:
перлитный,
мартенситный,
аустенитный,
ферритный,
ледебуритный.

Конструкционные стали
Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин, механизмов и конструкций.
Они должны обладать высокой конструктивной прочностью, под которой понимают комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную работу материала в условиях эксплуатации

Конструкционные стали по качеству могут быть трех категорий.
Стали обыкновенного качества производятся только углеродистыми.
Примеры марок сталей обыкновенного качества: СтО, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп,… Ст6, Ст6кп, Ст6пс, Ст6сп, соответственно, сталь кипящая, полуспокойная и спокойная. Чем больше число, тем выше прочность стали
Качественные конструкционные углеродистые стали маркируются словом Сталь; цифры 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 — указывают среднее содержание углерода, например, сталь 45.
Высококачественные стали имеют в конце маркировки букву А.

Маркировка: стали маркируют двумя цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента

Легированные стали содержат специально вводимые в их состав легирующие элементы для придания определенных физико-механических свойств.
Легирование — это целенаправленное изменение состава материала путем введения в него дополнительных элементов вещества для изменения структуры и свойств.

Легирующие элементы имеют следующие обозначения:
хром (Х),
никель (Н),
марганец (Г),
кремний (С),
молибден (М),
вольфрам (В),
титан (Т),
тантал (ТТ),
алюминий (Ю),
ванадий (Ф),
медь (Д),
бор (Р),
кобальт (К),
ниобий (Б),
цирконий (Ц),
селен (Е)
хром (Cr),
никель(Ni),
марганец (Mn),
кремний (Si),
молибден (Mo),
ванадий (V),
бор (B),
вольфрам (W),
титан (Ti),
алюминий (Al),
медь (Cu),
ниобий (Nb),
кобальт (Co).

Хром - повышает твердость, коррозионностойкость;
Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионностойкость; Вольфрам - увеличивает твердость и красностойкость, т.е. способность сохранять при высоких температурах износостойкость;
Ванадий - повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию;
Кобальт - повышает жаропрочность, магнитопроницаемость;
Молибден - увеличивает красностойкость, прочность, коррозионностойкость при высоких температурах;
Марганец - при содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок;
Титан - повышает прчность, сопротивление коррозии;
Алюминий - повышает окалиностойкость;
Ниобий - повышает кислотостойкость;
Медь - уменьшает коррозию.

Отсутствие цифры за буквой показывает, что данный элемент содержится в пределах одного процента

В промышленности широко применяют конструкционные стали специального назначения:
рессорно-пружинные (Сталь 65; Сталь65Г),
подшипниковые (Сталь ШХ4),
коррозионно-стойкие (Сталь 20Х13; 40Х13; 12Х18Н10Т),
теплостойкие, жаростойкие и жаропрочные (Сталь 15Х25Т) и др.

Инструментальные стали и сплавы
Инструментальные стали условно делятся на стали
для режущего и мерительного инструмента,
для холодного деформирования и
для горячей обработки металлов.
Инструментальные стали маркируются по содержанию углерода в десятых долях процента, а по составу и количеству легирующих — как и конструкционные.
По качеству они поставляются качественными, высококачественными и особовысококачественными с соответствующей маркировкой.

Наиболее дешевыми инструментальными сталями являют­ся углеродистые — качественные стали марок У7, У8, У9, У10, ...У14 и высококачественные стали марок У7А, У8А и т. д.
Из углеродистых инструментальных сталей изготовляются слесарные, плотничьи и мерительные инструменты.

Низколегированные инструментальные стали типа 8ХФ, 11Х, 9ХС, ХВГ применяются для изготовления режущего инструмента, работающего с небольшими скоростями резания: пил, метчиков, плашек, клейм, пуансонов и матриц листовой штамповки при среднесерийном производстве, ножей для пресс-ножниц и мерительного инструмента после закалки и низкого отпуска.

Быстрорежущие стали типа Р18, Р9М4К8, Р6М5 являются одним из основных материалов для изготовления режущего инструмента.
Буква Р происходит от немецкого слова rapid — быстрый, стремительный; цифра, следующая за ней, определяет среднее количество вольфрама, в процентах соответственно, 18; 9 и 6; М — молибден, которого содержится во второй стали около 4 % и в третьей — 5 %; К — кобальт, содержащийся во второй стали в количестве около 8 %. Кроме того, в каждой стали содержится около 4,5 % хрома и 1,5 % ванадия.
В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод и хром (их массовая доля » 1 % и » 4 % соответственно).
Такой состав обеспечивает быстрорежущим сталям красностойкость до температуры 560-580 °С и, соответственно, высокую скорость резания в отличие от углеродистых и низколегированных сталей, теплостойкость которых не превышает 150-180 °С.

Сплавы первой группы (например, ВКЗ, ВК8) применяются при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы и др.
Сплавы второй группы (Т5К10, Т15К6 и др.) предназначены для обработки более вязких материалов: стали, латуни и т.д.
Сплавы третьей группы ( например, ТТ7К12 ) используют для грубой черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую прочность, чем сплавы ТК.

Сверхтвердые материалы представлены природными (HV 98,1 ГПа) и синтетическими (HV 88,3-98,1 ГПа) алмазами, кубическим нитридом бора (эльбор, HV 68,7-78,5 ГПа) и др.
Они имеют в 3-4 раза большую твердость (HV), высокую теплопроводность и теплостойкость (до 1100-1300 °С) по сравнению с твердыми сплавами.
Обработка таким инструментом осуществляется при высоких скоростях резания и малых подачах.
При этом достигаются высокие значения точности обработки и качества поверхности.
Обработка резанием этими инструментами применяется как окончательная (чистовая) для закаленных сталей и заменяет процессы шлифования.

Чугуны
Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.
Чугун – дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали.
Широкое распространение при изготовлении техники получили чугуны со структурно свободным углеродом (графитом) — серые, ковкие и высокопрочные.

Серые чугуны получают из жидкого чугуна при замедленном охлаждении, при этом графит кристаллизуется в виде пластин, чешуек, разделяя и ослабляя стальную основу материала.
Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ.
Серый чугун с высоким содержанием фосфора (0,3—1,2%) жидкотекуч и используется для художественного литья.
Серый чугун получают следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45.

Ковкий чугун — весь углерод или его часть находится в виде графита хлопьевидной формы.
Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркировка: например, КЧ 370-12.
Буквы КЧ означают ковкий чугун,
первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв,
второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный (ВЧ) чугун с шаровидным графитом обладает прочностью, равной стали, и высокой пластичностью.
Достаточно высокие механические, литейные, технологические и эксплуатационные свойства позволяют стальное литье успешно заменять чугунным, а кованые детали — на литые из ВЧ.
Так, например, из высокопрочного чугуна отливают коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца и другие ответственные детали машины.
Это дает значительный экономический эффект, так как литые изделия из ВЧ на 20-25 % дешевле стальных.
Маркировка: например, ВЧ 450-5.
Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун,
первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв,
второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Цветные металлы и сплавы
Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы:
- тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово;
- лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций, стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;
-
благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений, родий, палладий;
-
малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;
-
тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий, хром, марганец, цирконий;

Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах.
Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, за счёт искусственного и естественного старения и т. д.
Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.

Наибольшее применение в машиностроении имеют следующие цветные сплавы:
алюминиевые сплавы;
сплавы на основе меди (медные сплавы);
титановые сплавы;
магниевые сплавы.

Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы делят на:
литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и
деформируемые (дуралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п.

К литейным алюминиевым сплавам относят сплавы алюминия и кремния (силумины).
Обычно силумин содержит 12-13 % кремния.
Они обладают высокой жидкотекучестью, достаточно высокой прочностью, сопротивляются коррозии, хорошо обрабатываются резанием.
Их используют для изготовления корпусов и крышек двигателей, поршней и т.д.
Маркируются силумины буквами АЛ и цифрой (1,2,3...), обозначающей порядковый номер сплава по ГОСТ.
Например, в сплаве АЛ2 — 10—12% кремния.

Деформируемые алюминиевые сплавы:
дуралюмины,
алюминиевые сплавы для ковки и штамповки,
высокопрочные алюминиевые сплавы,
деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

Распространенным деформируемым алюминиевым сплавом является дуралюмин (дюраль), основу которого составляют алюминий, медь и магний.
Дуралюмин, как и другие деформируемые сплавы, применяют для получения листов, проволоки, фасонных профилей и различных деталей ковкой, штамповкой, прессованием.
Маркируют буквой Д и порядковым номером. Например, Д1, Д16, Д18.

Сплавы на основе меди
Сплавы меди с другими элементами разделяют на две основные группы:
латуни — сплавы меди с цинком
бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе которых может быть и цинк.

Латуни
Латунь содержит до 50 % цинка.
Латуни, применяются в основном для изготовления деталей штамповкой, вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами, требующими высокой пластичности материала заготовки.
Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов.

В зависимости от числа компонентов различают простые (двойные) и специальные (многокомпонентные) латуни.
Простые латуни маркируются следующим образом: буква Л означает название сплава — латунь, следующие за ней цифры указывают содержание меди в сплаве в процентах.
Например, маркой Л63 обозначается латунь, содержащая 63% меди.

Специальные латуни — это группа латуней, в которые для улучшения механических и химических свойств дополнительно вводят олово, кремний, марганец, алюминий и железо.
Специальные (сложные) латуни маркируются буквой Л (латунь), после которой следуют буквы, обозначающие легирующий элемент: А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, М — марганец, Н — никель, С — свинец, Ц — цинк, Ф — фосфор и т. д.
МАРКИРОВКА:
Первые две цифры, следующие за буквами, указывают среднее содержание меди в процентах, а остальные цифры — содержание соответствующих легирующих элементов.
Например, ЛАЖ60-1-1 — латунь с содержанием меди, алюминия, железа соответственно 60; 1 и 1 %, остальное цинк и примеси.

Бронзы
Бронзой называется сплав меди с оловом, алюминием, никелем и другими элементами.
Бронза обладает высокими антифрикционными и механическими свойствами, а также хорошей коррозионной стойкостью. Она идет на изготовление арматуры и деталей механизмов, работающих во влажной атмосфере и в других агрессивных средах.

Оловянистые бронзы (10-12 % олова). — сплавы меди с оловом. На практике используют бронзы с содержанием олова до Сплавы не обладают необходимой конструкционной прочностью.
Алюминиевые бронзы (5 -11% алюминия) —обладают повышенными литейными свойствами и их применяют для фасонного литья.
Кремнистые бронзы имеют в своем составе 3-4 % кремния. Обладают высокой устойчивостью против коррозии в ряде агрессивных сред, в особенности в щелочах.
Бериллиевые бронзы содержат 2,0-2,5 % бериллия и обладают наилучшим комплексом свойств из всех известных бронз. Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой и старением.
Свинцовистые бронзы содержат до 30 % свинца. Имеют хорошие антифрикционные свойства. Применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения.

МАРКИРОВКА бронз:
Бронзу маркируют буквами Бр с буквенными обозначениями элементов, входящих в состав сплава, и числовыми показателями их содержания.
Например, БрОФ6,5-0,15—бронза, содержащая 6—7% олова и около 0,15% фосфора, остальное— медь.

Титановые сплавы
Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств.
Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, в ракетостроении , где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью.

В настоящее время известно довольно большое разнообразие титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам.
Наиболее употребляемые легирующие элементы в титановых сплавах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.

Маркируются титановые сплавы буквами ВТ и цифрами 0, 1, 2, ... и т. д.
Цифры обозначают номер сплава, химический состав и свойства которого регламентированы стандартом или техническими условиями.
Например, Титановый сплав ВТ5 содержит помимо титана 5% алюминия.
Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается.

Магний и его сплавы
Магний — очень легкий и относительно прочный металл. Он химически очень активен, вплоть до самовозгорания на воздухе.
В промышленности магний обычно используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами.
Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием

Магниевые сплавы имеют высокую удельную прочность и поэтому наряду с алюминиевыми и титановыми сплавами широко применяются в авиа- и ракетостроении, приборостроении и других отраслях промышленного производства.
Магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые.
Маркировка сплавов:
литейные МЛ и цифры, обозначающие номер (код) сплава (например, МЛЗ, МЛ4, и др.);
деформируемые МА и соответствующий номер сплава (например, MA1, МА2 и т. д.).

Термическая обработка
При выполнении термической обработки производится нагрев детали до определенной температуры (не достигающей точки плавления), выдержка в нагретом состоянии и охлаждение определенным образом.
Выбор температурного режима, охлаждающей среды, типа оборудования зависит от типа обрабатываемого материала
Термообработку деталей из металлов и сплавов выполняют с целью изменения структуры и свойств материалов для достижения требуемой величины прочности, упругости, твердости, износоустойчивости детали.

Виды термической обработки:
Отжиг
При отжиге деталь медленно остывает вместе с печью. При этом понижается твердость металла, что облегчает обработку резанием, снимаются внутренние напряжения, в литых деталях устраняется неоднородность структуры.
Нормализация
Это, по сути, тоже разновидность отжига, но охлаждение происходит не в печи, а на воздухе. Целью, как и при отжиге, является улучшение структуры металла и снятие в нем внутренних напряжений.
Закалка
Заключается в нагреве детали и охлаждении в жидкой среде – в воде, масле и других жидкостях. В результате возрастает твердость и прочность стальных деталей.
Отпуск
Применяется после закалки для уменьшения хрупкости и повышения обрабатываемости стали. Заключается в нагреве до относительно невысоких температур и охлаждении в масле или в воде.

Практическая работа
Задание 1. Расшифруйте марки сплавов и охарактеризуйте:
Ст2 кп
40ХНМА
КЧ 36-10
БрОЦС 5-5-5
ЛС59-1Л
Р18К5Ф2

Ст2кп представляет собой углеродистую конструкционную сталь обыкновенного качества группы А, кипящую. Cтали содержат повышенный процент вредных примесей серы (до 0,060%) и фосфора (до 0,080%).
Стали этой группы маркируются буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Чем больше число, тем выше прочность стали

40ХНМА является конструкционной легированной сталью. По количеству легирующих элементов относится к низколегированным (общее содержание ЛЭ не превышает 5%).
Её химический состав: ~ 0,4% углерода (40), ~ 1% хрома (Х), ~ 1% никеля (Н), ~ 1% молибдена (М).
Сталь высококачественная (буква А в конце маркировки).

КЧ 36-10 представляет собой ковкий чугун (КЧ), имеющий предел прочности при растяжении σв= 36 кгс/мм2 и относительное удлинение δ=10%.
Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита и по прочности занимает промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами.

БрОЦС5-5-5 представляет собой оловянистую бронзу (Бр), содержащую ~5% олова (О), ~5% цинка (Ц), ~5% свинца (С) и ~ 85% меди.
Оловянистые бронзы (содержание олова до 20%) обладают хорошими литейными свойствами, высокой химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. В практике применяют оловянистые бронзы с 10—12% олова. Бронзы с более высоким содержанием олова очень хрупкие.

ЛС 59-1Л Латунь содержит 59% меди, 1% свинца, остальное – цинк. Латунь – литейная (Л в конце маркировкм)

Р18К5Ф2 - инструментальная, быстрорежущая высоколегированная сталь (легирующих элементов более 10%).
Состав: 1% углерода 18% вольфрама
5% кобальта
2% ванадия
Сталь предназначена для изготовления режущего инструмента.

Структура классификации такова, что один код МС может отображать несколько свойств и характеристик материала посредством буквенно-цифровой комбинации.
Пример 1:
Код P1.2.Z.AN
• P это код ISO для стали
• 1 это группа “нелегированная сталь”
• 2 это подгруппа “содержание углерода от 0,25% до 0,55 %”
• Z это технология изготовления “ковка/прокат/холодная вытяжка”
• AN это термическая обработка -“отжиг”, и соответствующее значение твёрдости
Структура кодов MC
Обрабатываемые материалы по ISO

Удельная сила резания

Обрабатываемость
На обрабатываемость материала влияет три основных фактора.
1. Классификация обрабатываемого материала с точки зрения металлургии/механики.
2. Микро- и макро геометрия режущей кромки.
3. Материал режущего инструмента (марка сплава), например, твёрдый сплав с покрытием, керамика, CBN, PCD и пр.
К второстепенным факторам относятся:
параметры резания,
режущие усилия,
термическая обработка материала,
состояние поверхностного слоя,
включения в материале,
закрепление инструмента и условия обработки в целом.

Низколегированная углеродистая сталь обрабатывается проще по сравнению с более требовательной аустенитной нержавеющей сталью.
Считается, что низколегированная сталь обрабатывается лучше, чем нержавеющая сталь.
Понятие “хорошая обрабатываемость” обычно означает беспроблемное резание и предсказуемую стойкость инструмента.

Практическая работа
Задание 2. Определите код МС для сталей и сплавов:
Сталь 45
12Х18Н9Т
40Х13
Р18К5Ф2
ЛС59-1Л

Сталь 45 – P1.2.Z.HT
12Х18Н9Т – M1.3.Z.AQ
40Х13 – P5.1.Z.AN
Р18К5Ф2 – P3.1.Z.AN
ЛС59-1Л – N3.2.C.UT