Классификация углеродистых сталей

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – основа важнейших машиностроительных материалов.

Сталь – основной металлический материал, широко применяющийся для изготовления деталей, машин, летательных аппаратов, инструментов, строительных конструкций и т. д. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химической обработки. В России изготавливается приблизительно 85 % углеродистой  и 15 % легированной стали.

Углеродистые стали – это стали, содержащие углерод в качестве основной добавки к железу. Свойства углеродистых сталей зависят прежде всего от содержания углерода. Однако в этих сталях содержится небольшое количество примесей. Большинство из них являются вредными, а некоторые – полезными.

Вредные примеси попадают в сталь из металлургического сырья, топлива, огнеупоров, атмосферы. К вредным примесям относятся сера, фосфор, кислород, азот, водород. Полезные примеси (марганец и кремний) специально вводят в сталь для раскисления и улучшения свойств.

Углеродистые стали классифицируются по содержанию углерода, назначению, качеству.

По содержанию углерода стали подразделяются на: а) низкоуглеродистые (менее 0,3% С); б) среднеуглеродистые (0,3 % – 0,6 % С); в) высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

Низкоуглеродистые стали мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии. Среднеуглеродистые стали обладают хорошими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Высокоуглеродистые стали обладают высокой твердостью и очень низкой пластичностью и вязкостью.

По назначению стали делятся на: а) конструкционные; б) инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, механизмов, строительных сооружений. Инструментальные стали используются для изготовления различного рода инструментов (режущего, измерительного).

По качеству стали бывают: а) обыкновенного качества; б) качественные;

в) высококачественные. Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора). Сера и фосфор попадают в сталь во время металлургического процесса и ухудшают ее качество. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и  0,07 % P. Качественные –

до 0,03 % S и 0,035 % P. Высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % P.

 

ЛЕКЦИЯ №16

Способы обработки материалов

Различают следующие основные способы обработки металлов и сплавов:

1. Литейное производство.

2. Обработка давлением.

3. Сварка и пайка.

4. Размерная обработка (обработка резанием).

Литейное производство

Литейным производством называется процесс получения фасонных заготовок или деталей в процессе заливки расплавленного металла в литейную форму, внутренняя полость которой с определенным допуском имеет конфигурацию будущей детали. Такую продукцию называют отливкой.

Достоинства литейной технологии:

1) универсальность, позволяющая получать отливки из любого сплава, различной массы (от нескольких граммов до сотен тонн), различных размеров и конфигурации;

2) экономичность процесса в серийном производстве.

Недостатки процесса литья:

1) пониженные пластичность и прочность литой заготовки по сравнению с деталями, полученными обработкой давлением;

2) необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспечению техники безопасности и экологической защиты окружающей среды.

В машиностроении масса литых деталей – примерно 50 % массы машин и механизмов, в станкостроении – около 80 %. Методом литья получают до 82% изделий из чугуна, до 23 % – из стали, 3–6 % – из цветных металлов.

Литейная форма представляет собой конструкцию, состоящую из элементов, образующих рабочую полость, заполнение которой расплавом обеспечивает получение отливки заданных размеров и конфигурации.

В настоящее время используется много способов литья. Их условно классифицируют:

  – на литье в песчано-глинистые формы;

  – специальные способы литья.

Литье в песчано-глинистые формы – наиболее простой и распространенный способ получения отливок.

Литейную форму, имеющую полость, в которую заливают расплавленный металл, изготавливают из формовочной смеси по модели.

   Модель – это приспособление для получения в форме рабочей полости будущей отливки. Модели могут быть деревянными или металлическими, размеры моделей должны быть больше размеров отливки на величину усадки металла и величину припуска для последующей механической обработки (2–15 мм) или (0,8–2 %).

Формовочные смеси для литейных форм состоят из песка (основа), глины, воды и ряда добавок, обеспечивающих газопроницаемость и противопригарность смеси.

Формовочную смесь, увлажненную и тщательно перемешанную, засыпают в специальные ящики без доньев и крышек, называемых опоками, предварительно установив модель отливки. Затем смесь уплотняют вручную или на специальных формовочных машинах.

Преимуществом литья в песчано-глинистые формы является невысокая стоимость формовочных материалов и модельной оснастки. Однако этот способ литья является более трудоемким в сравнении с другими, обеспечивает малую точность размеров и большую шероховатость поверхности, в отливках могут образовываться раковины и трещины.

Недостатками также являются невысокая производительность и тяжелые санитарно-технические условия труда.

Однако при индивидуальном производстве и изготовлении массивных отливок этот способ является целесообразным.

Литьем в песчаные формы получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов.

Специальные способы литья позволяют получать отливки точных размеров, с малой шероховатостью, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключающие ее. Ввиду высокой стоимости технологического оборудования и используемых материалов высокопроизводительные способы литья применяют главным образом в массовом и крупносерийном производстве.

Различают следующие специальные способы литья:

– литье в оболочковые формы;

– литье по выплавляемым моделям;

– литье в металлические формы (кокили);

– литье под давлением;

– центробежное литье.

Обработка давлением

Обработкой металлов давлением называют технологический процесс изготовления заготовок или деталей целенаправленным пластическим деформированием исходного материала после приложения внешних сил. Большинство металлов и сплавов обрабатываются давлением. Исключения составляют чугун и некоторые твердые сплавы. Исходными материалами для обработки являются слитки или заготовки черных и цветных металлов различных размеров и массы.

Основными способами обработки металлов давлением являются:

– прокатка;

– прессование;

– волочение;

– ковка;

– штамповка.

Прокатка – вид обработки давлением, при котором исходная заготовка – слиток или отливка – под действием сил трения непрерывно втягивается между вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшением толщины и увеличением длины, а иногда ширины.

Прессование – процесс выдавливания металла из контейнера через одно или несколько отверстий в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки.

Волочение – процесс протягивания заготовки через отверстие, размеры которого меньше, чем исходные размеры. Волочение производят в холодном состоянии. Волочением обрабатывают стали, цветные металлы и сплавы. Сортамент изделий, изготавливаемых волочением разнообразный: прутки, профили, трубы, проволока диаметром 0,002 мм и выше.

Ковка – способ обработки металла, при котором нагретая заготовка подвергается многократным ударам инструмента, в результате чего она постепенно приобретает заданную форму и размеры. Изделие, полученное в результате ковки, называют поковкой.

Штамповка – вид обработки металлов давлением, при котором формирование детали осуществляется пластическим деформированием металла исходной заготовки в специальном инструменте – штампе.

 

ЛЕКЦИЯ №17

Сварка и пайка

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагревании, пластическом деформировании или совместном действии того и другого.

Все способы и методы сварки (а их более 100) разделяются на две большие группы: а) сварка плавлением; б) сварка давлением.

При сварке плавлением свариваемые детали соединяются после местного расплавления кромок тепловой энергией соответствующего источника тепла. Источником тепла могут быть: дуга, газовое пламя, электронный луч, луч лазера и т. д. Наибольшее распространение получили газовый и дуговой способы сварки плавлением. В настоящее время около 70 % всех сварочных работ выполняются методами плавления.

При сварке давлением происходит сближение соединяемых деталей, пластическое деформирование металла и образование прочного шва.

Образование соединения происходит в три стадии:

1) сближение поверхностей, устранение неровностей и поверхностной пленки;

2) объединение электронных оболочек, возникновение межатомных связей и образование сварного шва;

3) взаимная диффузия атомов, нагревание металла, изменение структуры.

   Пайка – это процесс соединения деталей при температуре ниже температуры их плавления путем смачивания их расплавленным припоем, затекания его в зазор и последующей его кристаллизацией.

Припой – это металл или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми поверхностями, имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые материалы и обладающий способностью смачивать паяемые материалы.

Флюс – активное химическое вещество, применяемое для удаления оксидной пленки с поверхности паяемого металла и припоя и защиты их от окисления в процессе пайки, а также для снижения поверхностного натяжения припоя и улучшения растекания жидкого припоя.

Размерная обработка

Рассмотренные в предыдущих разделах методы литья, сварки, обработка давлением не в состоянии обеспечить заданную точность, необходимую для изготовления большинства деталей машин и механизмов. Поэтому полученные указанными методами изделия используются в качестве заготовок. Эти заготовки изготавливают несколько больших размеров с технологическим припуском. Наличие припуска позволяет методами размерной обработки получать деталь требуемой точности путем съема металла припуска.

Все способы размерной обработки деталей классифицируют по виду используемой энергии:

а) механические;

б) физико-химические.

Механическая обработка резанием. Это универсальный метод размерной обработки. Обработка резанием– это процесс получения детали требуемой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхности за счет механического срезания с поверхности заготовки режущим инструментом материала технологического припуска в виде стружки.

Различают следующие виды обработки металлов резанием:

– точение;

– сверление;

– фрезерование;

– строгание;

– шлифование.

Точением называется процесс резания, при котором заготовке сообщается главное вращательное движение, а инструменту (резцу) – поступательное движение подачи. Процесс точения осуществляется на токарных станках.

Сверление является основным способом получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в заготовке. В качестве инструмента при сверлении используется сверло. Для сверления используются сверлильные станки, можно сверлить на токарных станках. При сверлении главное движение – вращательное, а вспомогательное движение – поступательное в осевом направлении.

Фрезерованием называют процесс резания с помощью инструмента – фрезы. Главным движением при фрезеровании является движение фрезы, а вспомогательным – поступательное перемещение заготовки. Фреза представляет собой тело вращения, на одной или нескольких поверхностях которой расположены режущие зубья. Процесс фрезерования выполняется на фрезерных станках.

Строганием называется процесс резания, при котором главное движение резания является прямолинейным возвратно-поступательным в горизонтальной плоскости, а движение подачи – периодическое поступательное. Обработку выполняют на строгальных станках, в качестве инструмента используется резец.

Шлифование является процессом обработки заготовок с помощью абразивного круга, состоящего из абразивных зерен и связующего. В качестве абразивного материала применяются природные и искусственно полученные соединения: корунд, наждак, карбид кремния, карбид бора, синтетический и природный алмаз и т.д.

Физико-химические методыразмерной обработки материалов. К ним относятся методы, обеспечивающие съем обрабатываемого материала в результате физико-химических процессов.

Основные методы обработки:

– электроэрозионная;

– электрохимическая;

– ультразвуковая;

– лучевая.

Каждый из методов физико-химической обработки обладает уникальными технологическими возможностями, но все они более энергоемки и менее производительны в сравнении с методами механообработки.

Электроэрозионная обработка основана на использовании явления электрической эрозии – разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка.

Электрохимическая размерная обработка основана на явлении анодного растворения металла в среде электролита под воздействием электрического тока. При этом форма катода – инструмента отображается на поверхности анода – заготовки.

Ультразвуковая абразивная размерная обработка, заключается в разрушении обрабатываемого материала в результате импульсного ударного воздействия торца инструмента на заготовку в абразивной среде. При этом происходит отображение формы инструмента на поверхности заготовки.

К новым методам электрофизической обработки относятся электронно – лучевая и светолучевая обработки. Различие носителей энергии обусловило технологические особенности лучевой обработки.

   При электронно–лучевой размерной обработке для съема материала используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов. Этот процесс осуществляется в вакууме при давлении газа 5·10^-2–10^-3 Па. Электроны, ускоренные в электронной пушке, после фокусировки имеют плотность энергии 100–1 000 МВт/см². Пучок электронов попадает в рабочую камеру и бомбардирует обрабатываемую поверхность.

   Лазерная размерная обработка использует для съёма материала сфокусированный поток световой энергии, сформированный оптическим квантовым генератором. Световой поток частично отражается, а основная часть передаёт энергию кристаллической решетке, вызывая нагрев, плавление и испарение металла. Лазерная обработка ведётся в импульсном режиме. При удельной мощности 10–100 МВт/см² тепловое воздействие луча вызывает разрушение метала за время одного импульса. Разрушение происходит по принципу взрывного объёмного вскипания с выносом материала в виде паров и капель. Процесс обработки металла лучом лазера требует высоких энергозатрат.

 

Библиографический список

1. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

2. Материаловедение и технология металлов / Под ред. Г. П. Фетисова. М.: Высш. школа, 2002. – 638 с.

3. Материаловедение и конструкционные материалы / Под ред. В.А. Белого., Минск. Высшая школа, 1989. – 461с.

4. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. СПб.: Из-во «Лань», 2003. – 368 c.

5. Электротехнические и конструкционные материалы / Под. ред. В. А. Фи-ликова. М.: Высш. школа, 2000. – 280 с.

6. Электротехнические материалы в 3-х томах, Т.1 / Под общ. ред. В. Г. Ге-расимова, П. Г. Грудинского и др. М.: Энергия, 1980. – 520с.

7. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических  системах: Учебник для вузов/ Под общ. ред. В.П.Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 c.

8. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Высш. школа, 2004. – 519 с.

 

 

Оглавление

ЛЕКЦИЯ №1......................................................................................... 3

I. Основы строения и свойств материалов...................................... 3

1.1. Классификация материалов........................................................... 3

1.2. Общие сведения о строении вещества............................................ 4

Строение атома...................................................................................... 4

Химическая связь................................................................................... 5

ЛЕКЦИЯ №2......................................................................................... 6

II. Электротехнические материалы.................................................. 6

Классификация электротехнических материалов..................................... 6

2.1. Диэлектрики................................................................................... 7

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость................ 7

ЛЕКЦИЯ №3......................................................................................... 9

Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков 9

ЛЕКЦИЯ № 4....................................................................................... 12

Электропроводность диэлектриков....................................................... 12

ЛЕКЦИЯ №5....................................................................................... 15

Диэлектрические потери....................................................................... 15

ЛЕКЦИЯ №6....................................................................................... 19

Пробой диэлектриков........................................................................... 19

ЛЕКЦИЯ №7....................................................................................... 22

Физико-химические и механические свойства диэлектриков.................. 22

ЛЕКЦИЯ №8....................................................................................... 25

2.2. Проводниковые материалы......................................................... 25

Классификация проводников................................................................ 25

Основные свойства проводниковых материалов.................................... 25

ЛЕКЦИЯ №9....................................................................................... 28

Материалы высокой проводимости...................................................... 28

Сплавы высокого сопротивления.......................................................... 28

Припои, контактные материалы и неметаллические проводники............ 29

Сверхпроводники и криопроводники.................................................... 30

ЛЕКЦИЯ №10...................................................................................... 31

2.3. Полупроводниковые материалы.................................................. 31

Общие сведения о полупроводниках..................................................... 31

Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников... 32

ЛЕКЦИЯ №11 ….................................................................................. 34

Простые полупроводники..................................................................... 34

Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения).... 35

Полупроводниковые материалы сложного состава (полупроводниковые комплексы)................................................................................................. 35

ЛЕКЦИЯ №12...................................................................................... 37

2.4. Магнитные материалы................................................................. 37

Общие сведения о магнитных свойствах

Магнитомягкие материалы.................................................................... 39

 

ЛЕКЦИЯ №13...................................................................................... 40

Ферриты............................................................................................... 40

Магнитотвердые материалы.................................................................. 42

ЛЕКЦИЯ №14...................................................................................... 44

III. Конструкционные материалы................................................... 44

3.1. Основы строения и свойств металлов.......................................... 44

Кристаллическое строение металлов..................................................... 44

Основные свойства материалов и методы их определения..................... 45

ЛЕКЦИЯ №15...................................................................................... 48

Основы теории сплавов............................................................................................ 48

Классификация углеродистых сталей...................................................................... 50

ЛЕКЦИЯ №16...................................................................................... 51

3.2. Способы обработки материалов.................................................. 51

Литейное производство......................................................................... 51

Обработка давлением........................................................................... 52

ЛЕКЦИЯ №17...................................................................................... 53

Сварка и пайка..................................................................................... 53

Размерная обработка............................................................................ 54

Библиографический список................................................................... 57

Оглавление........................................................................................... 58

 

                            Редактор Н. Н. Пацула

                        ИД №06039 от 12.10. 2001.

                          Сводный темплан 2005

 

              Подписано к печати 14.10.05. Бумага офсетная.

             Формат 60х84 1/16. Отпечатано на дупликаторе.

                       Усл. печ. л. 3,75. Уч.- изд. л. 3,75

                        Тираж 150 экз.  Заказ

            __________________________________________

              Изд-во ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

                                Типография ОмГТУ