Вопрос 4. Материалы применяемые для изготовления деталей машин. Методы улучшения их функциональных свойств.

 

Основным машиностроительным материалом является сплав железа и углерода, называемый чугуном или сталью в зависимости от процентного содержания углерода в сплаве.

Чугун содержит углерода свыше 2%. Различают:

Серый чугун. Углерод почти весь в свободном состоянии.

Свойства: жесткость; сравнительно малая прочность; хрупкость (наибольший коэффициент относительного удлинения); антифрикционные свойства в неответственных, ненапряженных и тихоходных узлах машины; внутреннее трение (способность поглощать энергию при колебаниях); хорошие литейные свойства; относительная дешевизна.

Это основной материал для литых деталей. Он составляет 60…80% от общей массы машины.

Маркировка: СЧ и цифры, соответствующие пределу прочности при растяжении в кгс/мм², например СЧ15 – 150 МПа, СЧ20 – 200 МПа и т.д. Прочность на изгиб в 1,5…2,2 раза больше, чем указано в маркировке. Модуль упругости Е = (4,5…5,0)∙100∙ , где - предел прочности, МПа. Обычно Е = 0,9∙10⁵ МПа.

Высокопрочный чугун (чугун, в котором углерод имеет шаровидную структуру).

Предел выносливости почти такой же, как у стали. E = (1,6…1,9)∙10⁵ МПа. Маркировка: ВЧ40, ВЧ35 и т.д.

Белый и отбеленный чугуны. В них углерод находится частично или полностью в связанном состоянии, в виде карбида железа.

Свойства: высокая твердость; необрабатываемость резцом; износостойкость; хрупкость.

Ковкий чугун. Получается отжигом белого чугуна. Ковкий чугун не куется и получается только отливкой. Обладает повышенным коэффициентом относительного удлинения.

Маркировка: КЧ 30-6, где 30 - предел прочности, 300 МПА; 6 ‑ относительное удлинение, %.

 

Сталь ‑ сплав железа с углеродом с содержанием углерода менее 1,6 %.

Свойства: прочность; пластичность; хорошо воспринимает различную термохимическую обработку.

Различают:

Сталь общего назначения следующих разновидностей:

- группа А (гарантируются механические свойства);

- группа Б (гарантируется химический состав);

- группа В (гарантируются механические свойства и химический состав).

Маркировка: ст.3, ст.5 и т.д. Цифра обозначает возрастание прочности за счет увеличения процентного содержания углерода. Кроме того, эти стали разделяют на:

- кипящие (КП) (они на 12% дешевле);

- спокойные (СП).

Сталь качественная конструкционная и легированная эта сталь не менее чем на 25% дороже стали обыкновенной, общего назначения. Различают:

- низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25% (цементируемые);

- среднеуглеродистые (улучшаемые и закаливаемые) с содержанием углерода от 0,25% до 0,6%;

- высокоуглеродистые (закаливаемые) с содержанием углерода больше 0,6%.

Маркировка: сталь 25, сталь 45 и т.п. Здесь цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента.

Легированные стали - это качественная конструкционная сталь с легирующими добавками, которые существенно улучшают свойства стали. В качестве легирующих добавок чаще всего используют никель, хром, марганец и другие металлы.

Маркировка: сталь 40Х, сталь 40ХН и т.п. Здесь буквами X и Н обозначены хром и никель в количестве до 1%.

Настоящий обзор сталей весьма неполный. Машиностроение располагает большим разнообразием сталей для различных целей, имеется много специальных сталей.

Получение нужных свойств стали достигается термообработкой различных видов:

- отжиг - медленное охлаждение (вместе с печью) после нагрева и выдержки, применяют для снижения твердости и повышения обрабатываемости, для снятия остаточных напряжений;

- нормализация - нагрев выше точки фазовых превращений и охлаждение на воздухе, применяют для выравнивания структуры;

- улучшение - закалка с высоким отпуском, получается более высокая прочность и твердость (до 350 НВ);

- закалка - высокая твердость и прочность, получаемые за счет высокой скорости охлаждения;

- отпуск - нагрев ниже температуры фазовых превращений, выдержка, медленное охлаждение, применяют для получения вязких свойств стали, снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости.

Виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, борирование. Эти методы позволяют насытить поверхностные слои детали соответственно углеродом, соединениями азота, бора. Последующая термообработка дает высокие прочностные и износостойкие качества поверхности детали. Глубина этого слоя поверхности - 0,2…1,0 мм.

Сплавы на основе цветных металлов:

Сплав на основе меди:

- латунь - сплав медь-цинк;

- бронза - сплав медь-олово, медь-свинец, медь-алюминий.

Сплавы на основе олова, свинца - баббиты.

Алюминиевые сплавы, плотность = 2,6...2,9 г/см³ (в три раза легче стали):

- силумины (сплавы с кремнием) - хорошо льются.

Маркировка: AЛ2, АЛ4 и т.п., = 170…250 МПа;

- дюралюмины (сплавы с медью и/или марганцем) - это деформируемые сплавы.

Маркировка: Д1, Д16 и др., = 350…430 МПа.

Магниевые сплавы, плотность = 1,8 г/см³, хорошо льются, = 200…230 МПа, = 150…180 МПа - предел текучести материала.

Титановые сплавы, = 4,5 г/см³, = 900…1300 МПа.

Пластмассы, = 1,1...2,3 г/см³, = 60...300 МПа.

Большое место в машиностроении занимает резина, особенно армированная.

Особый класс материала ‑ композиты. Оказывается, любое вещество, превращенное в волокно, приобретает невиданную прочность. Такое волокно, как арматура, пронизывает наполнитель из пластика, углерода, алюминия - это и есть композиты, композиционные материалы. Изделия из композитов как минимум в 1,5 раза легче стальных, надежность у них выше в 2...3 раза, а трудоемкость изготовления на 30% ниже. Одна тонна стеклопластика (разновидность композита) заменяет 4…5 т стали.

 

ВОПРОС 5. КЛАССИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ. ТРЕБОВАНИЯ К СОЕДИНЕНИЯМ В МАШИНОСТРОЕНИИ.

Детали, составляющие машину, связаны между собой тем или иным способом. Эти связи можно разделить на подвижные (различного рода шарниры, подшипники, зацепления и пр.) и неподвижные (резьбовые, сварные, шпоночные и др.). Наличие подвижных связей в машине обусловлено ее кинематической схемой. Неподвижные связи обусловлены целесообразностью расчленения машины на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т. п.

Неподвижные связи в технике называют соединениями.

По признаку разъемности все виды соединений можно разделить на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.

Неразъемные соединения не позволяют разъединять детали без их повреждения. Применение неразъемных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные и соединения с натягом.

Соединения с натягом отнесены к группе неразъемных условно, так как они позволяют производить повторную сборку и разборку, при этом происходит частичное повреждение сопрягаемых поверхностей, приводящее к уменьшению нагрузочной способности соединений.

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.

Необходимо стремиться к тому, чтобы соединение было равнопрочным с соединяемыми элементами. Наличие соединения, которое обладает прочностью, составляющей, например, 0,8 от прочности самих деталей, свидетельствует о том, что 20% нагрузочной способности этих деталей или соответствующая часть металла конструкции не используется.

Желательно, чтобы соединение не искажало форму изделия, не вносило дополнительных элементов в его конструкцию и т. п. Например, соединение труб болтами требует образования фланцев, сверления отверстий под болты, установку самих болтов с гайками и шайбами. Соединение труб сваркой встык не требует никаких дополнительных элементов. Оно в наибольшей степени приближает составное изделие к целому. С этих позиций соединение болтами может быть оправдано только разъемностью.