Свойства конструкционных материалов

С. И. Моднов, П. Н. Якушин

МАТЕРИАЛЫ И ЗАГОТОВКИ

В МАШИНОСТРОЕНИИ

Рекомендовано

научно-методическим советом университета

в качестве учебного пособия

Ярославль 2010

УДК669.017; 669.053

ББК 34.43

М74

Моднов, С. И.

М74 Материалы и заготовки в машиностроении: учебное пособие / С.И. Моднов, П.Н. Якушин. – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2010. – 90 с.

ISBN 978-5-9914-0157-9

Изложены основные сведения о структуре и свойствах конструкционных материалов. Рассматривается комплекс взаимосвязанных технологических процессов: получения заготовок методами литья, обработки давлением и порошковой металлургии, механической и термической обработки, порошковой металлургии.

Предназначено для педагогов, методистов и других специалистов различных ступеней профессионального образования, специализирующихся на вопросах преподавания технологии изготовления и обработки заготовок из различных конструкционных материалов. Может быть также полезным студентам и магистрантам дневной и заочной форм обучения, изучающим дисциплины, связанные с вопросами получения заготовок и проектирования технологических процессов их обработки.

Ил. 23. Табл. 10. Библиогр. 10.

УДК669.017; 669.053

ББК 34.43

 

Рецензенты: кафедра технологии и предпринимательства ЯГПУ им. К. Д. Ушинского; А.Н. Мищенко, канд. техн. наук, начальник центральной заводской лаборатории ЯЗДА.

ISBN 978-5-9914-0157-9

© Ярославский государственный технический университет, 2010

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с проводимой в стране реформой общеобразовательной и профессиональной школы перед вузами, осуществляющими подготовку педагогических кадров, стоит большая и ответственная задача – поднять уровень теоретических и практических знаний педагогов профессионального обучения, обеспечить его соответствие актуальным требованиям производства.

Важное место в подготовке преподавателей и мастеров производственного обучения машиностроительного профиля занимает такой предмет, как «Технологические основы заготовительного производства». Этот курс призван сформировать у будущего специалиста глубокие знания основ материаловедения, принципов выбора конструкционных материалов и технологии их производства и обработки, навыки учета физико-механических свойств материалов и направленного воздействия на них. Знание рассматриваемого курса поможет педагогу в формировании требуемого технического уровня, построении межпредметных связей с другими инженерными дисциплинами (такими как «Технология машиностроения», «Проектирование металлорежущего инструмента» и т.д.). Кроме того, излагаемые в пособии вопросы необходимы студентам для успешной подготовки ряда курсовых и дипломного проекта.

Учебное пособие состоит из пяти глав, содержание которых отражает основы теории и практики технологии производства металлов, литейного и кузнечного производства, термической и химико-термической обработки.

Изложенный учебный материал базируется на последних достижениях науки и техники с учетом тенденций и направлений развития основных производств и способов обработки.

 

ГЛАВА 1.

 

СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструкционные материалы обладают определенным набором свойств, которые определяют их механические и технологические характеристики.

Механические свойства – обусловливают надежность работы изготовленных из этих материалов деталей и конструкций в заданных условиях эксплуатации.

Технологические свойства – характеризуют легкость получения детали выбранным способом из данного конструкционного материала с требуемой точностью размеров, формы и качества поверхностного слоя.

 

Механические свойства

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износостойкость.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Для оценки прочности материалов наиболее часто используют следующие показатели:

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву) (s_В) – это напряжение (МПа), предшествующее разрыву образца:

 

s _В = Р _max/ F ₀, (1)

 

где Р _max – нагрузка, необходимая для разрыва стандартного образца, Н;

F ₀ – площадь поперечного сечения образца, м².

Испытания на растяжение применяют практически для всех материалов. Для испытаний используют цилиндрические (диаметром до 25 мм) или плоские образцы.

Предел текучести – механическое напряжение σ_т, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Предел текучести соответствует площадке текучести диаграммы деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σ_т используется напряжение σ0,2 (читается: сигма ноль-два), соответствующее напряжению, при котором остаточные деформации конструкции (пластические деформации) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца.

Предел прочности при кручении (τ) – это напряжение (МПа), предшествующее разрушению образца при кручении:

τ = Т _к/ W _p, (2)

 

где Т _к – разрушающий крутящий момент, Н ;

W _p – полярный момент сопротивления, м³:

 

W _p = .

 

Испытания на кручение применяются как для пластичных, так и малопластичных материалов. Для испытания применяют образцы цилиндрической формы с диаметром D = 10 мм.

Предел прочности при изгибе(s_изг) – это напряжение (МПа), предшествующее разрушению образца при изгибе:

 

s_изг = М _изг/ W, (3)

 

где М _изг – разрушающий изгибающий момент, Н ;

W – момент сопротивления, м³.

Испытание на изгиб применяют для малопластичных материалов: чугунов и закаленных (чаще инструментальных) сталей. Для испытаний применяют образцы круглого, прямоугольного или квадратного сечений.

Испытания проводят только под действием статических нагрузок.

В процессе испытаний под действием внешних нагрузок происходит деформация образцов, изменяющая их форму и размеры.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после снятия напряжений. Связь между напряжением в образце s и его деформацией ε имеет вид

ε = s/ Е. (4)

 

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости. Принято считать, что для всех чугунов и сталей независимо от химического состава модуль упругости имеет постоянное значение Е = 2 10⁵ МПа. Величина «деформация» – это относительное понятие, которое показывает, насколько изменились размеры или объем тела под действием деформирующей нагрузки по сравнению с ненагруженным состоянием.

Остаточная деформация – деформация, не исчезающая после прекращения действия напряжений.

Пластическая деформация – остаточная деформация, изменяющая форму образца и не вызывающая его разрушения.

Пластичность – способность материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки. При этом форма и размеры должны устойчиво сохраняться после снятия нагрузки.

Пластичность δ оценивается наибольшим относительным удлинением (после разрыва) образца (%):

δ = , (5)

 

где l ₀ – начальная длина образца; l – длина образца после разрыва.

Испытания материалов по данному параметру проводятся на образцах имеющих длину пять и десять диаметров, соответственно в справочной литературе они обозначаются как δ₅ и δ₁₀.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ, %:

 

, (6)

 

где F ₀ – начальная площадь поперечного сечения образца;

F _к – минимальная конечная площадь поперечного сечения после разрыва.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела.

Определение данной характеристики материала производится на специальных приборах путем вдавливания в поверхность испытуемого образца эталонного тела (индентора). Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Измерение твердости по Бринеллю (вдавливанием шарика) осуществляется следующим образом. В образец с помощью пресса вдавливают стальной закаленный шарик диаметром D, равным 2,5; 5 или 10 мм (рис.1). Нагрузка Р прикладывается без удара и перпендикулярно поверхности образца. Далее замеряют площадь F сферического отпечатка и находят соотношение между приложенной нагрузкой и площадью отпечатка.

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и числовым значением твердости (например, 180 НВ, 220 НВ). Этот способ используют для оценки твердости чугунов, незакаленных сталей и цветных сплавов.

Данный метод не позволяет испытывать материалы твердостью более 650 НВ и измерять твердость тонкого поверхностного слоя.

 

Рис. 1. Определение твердости по Бринеллю

 

Измерение твердости по Роквеллу (вдавливанием конуса или шарика) осуществляется следующим образом.Твердость измеряют по глубине отпечатка h, образовавшегося после вдавливания алмазного конуса (шкалы HRA и HRC) (рис.2) или стального шарика (шкала HRВ). Испытания проводят на специальном приборе с помощью подвешивания груза к рычагу.

Твердость по Роквеллу обозначается буквами HR с указанием шкалы твердости (А, В и С) и цифрами.

 

 

Рис. 2. Определение твердости по Роквеллу

 

Наиболее распространена шкала С (твердость HRС). По этой шкале испытания проводят алмазным конусом с нагрузкой 1500 Н. Пределы измерения по шкале С: 20-67 единиц. Измерения по шкале С проводят:

- для закаленной и низко отпущенной стали твердостью более 450 НВ;

- для определения твердости тонких (0,5-2,0 мм) поверхностных слоев (например, цементированного слоя или закаленного слоя после закалки токами высокой частоты).

По шкале А (твердость HRА) проводят измерения алмазным конусом с нагрузкой 600 Н. Пределы измерения по шкале А: 75-85 единиц. Измерения проводят:

- для очень твердых материалов, например, твердых сплавов;

- для измерения твердости тонких поверхностных слоев (до 0,5 мм).

По шкале В (твердость HRВ) измерения проводят стальным шариком с нагрузкой 1000 Н, с пределами измерения по шкале В: 25-100 единиц. Эта шкала используется для относительно мягких материалов (например, отожженная сталь или цветные сплавы).

Измерения твердости по Виккерсу (вдавливанием алмазной пирамиды) осуществляется следующим образом. В испытуемый образец вдавливают алмазную пирамидку с силой от 10 до 1000 Н и по глубине отпечатка определяют твердость (рис.3). Метод Виккерса (твердость HV) применяют для оценки твердости тонких слоев (например, твердости азотированного слоя толщиной 0,05 мм).

 

 

Рис. 3. Определение твердости по Виккерсу

 

При динамическом испытании контролируется размер отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят: твердость по Шору, по Польди.

Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует возможности материала по быстрому поглощению энергии. Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Единица ударной вязкости – Дж/м².

Существующие лабораторные методы отличаются по способу закрепления образца на испытательном стенде, по способу приложения нагрузки (падающая гиря, маятник, молот) и по наличию или отсутствию надреза в месте приложения удара.

Для испытания "без надреза" выбирается лист материала с равной толщиной по всей площади. При проведении испытания "с надрезом" на поверхности листа проделывается канавка, как правило, на стороне обратной по отношению к месту удара, на всю ширину (длину) образца, глубиной на 1/2 толщины. Ударная вязкость при испытании "без надреза" может превышать результат испытаний "с надрезом" более чем на порядок. В справочной литературе ударная вязкость определенная «без надреза» обозначается а, при определении с «надрезом» – а _н.

Усталость материала – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

Обратное свойство материала называется выносливостью.

Выносливость –свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения за указанное время.

Предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заданного числа циклов переменных нагрузок. Предел выносливости измеряется как напряжение и обозначается буквами s₁, τ₁ (при симметричном цикле нагружений) или s_R, τ_R (при несимметричном цикле). Кроме того, это понятие близко связано с прочностью, а именно, с понятием усталостной прочности.

Усталостная прочность – свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис. 4. На первом этапе (зона 1) происходит образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение. На втором этапе (зона 2) – постепенное распространение трещины, в результате чего образуется гладкая притертая поверхность. На заключительном этапе в зоне 3 происходит окончательное разрушение (зона “долома“), живое сечение образца уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит хрупкое или вязкое разрушение.

Рис. 4. Схема зарождения и развития трещины

Физико-химические свойства

К физико-химическим свойствам материалов относятся температура плавления, плотность, электропроводность и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения, антикоррозионные свойства.

Температура плавления – температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот.

При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительной теплоты вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет меняться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишней теплоты (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать) и, пока оно не застынет полностью, температура не изменится. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества.

Плотность – физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Для неоднородного вещества средняя плотность вычисляется как отношения массы тела m к его объёму V.

Удельная электропроводность – мера способности вещества проводить электрический ток. Она измеряется в сименсах на метр (См/м) или (Ом⁻¹·м⁻¹).

Теплопроводность – это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения.

Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить теплоту. Мерой теплопроводности является коэффициент теплопроводности, единица измерения – Вт/(м·К).

Коэффициент объемного теплового расширения – величина, характеризующая относительное изменение объёма тела с увеличением температуры на 1 К, при постоянном давлении.

Коэффициент линейного теплового расширения – относительное изменение длины тела при нагревании на температуру Δ T.

Коррозионная стойкость – способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях.

Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии. Для количественной оценки можно использовать:

- время, истекшее до появления первого коррозионного очага;

- число коррозионных очагов, образовавшихся за определённый промежуток времени;

- уменьшение толщины материала в единицу времени;

- объём газа, выделившегося (или поглощённого) в ходе коррозии единицы поверхности за единицу времени;

- плотность тока, соответствующая скорости данного коррозионного процесса;

- изменение какого-либо свойства за определённое время коррозии (например, электрического сопротивления или механических свойств).

Разные материалы имеют различную коррозионную стойкость, для повышения которой используются специальные методы. Так, повышение коррозионной стойкости возможно при помощи легирования (нержавеющие стали), нанесения защитных покрытий (хромирование, никелирование, алитирование, оцинкование, окраска изделий) и др. Устойчивость материалов к воздействию коррозии, характерной для морских условий, исследуется в камерах солевого тумана.

 

ГЛАВА 2.

 

Общие сведения о стали

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов. Основными конструкционными материалами для машиностроительного производства служат сталь, чугун и сплавы цветных металлов на основе меди, алюминия, магния, титана.

Сталь – сплав железа с углеродом (массовая доля С не более 2,14 %), в который добавляют легирующие элементы для создания сталей с требуемыми механическими, технологическими и особыми эксплуатационными свойствами.

В сталях также содержатся и вредные примеси: сера (вызывает красноломкость) и фосфор (вызывает хладноломкость). Эти примеси не удается полностью удалить со шлаком по природным и технологическим причинам.

Красноломкостью называется свойство стали давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850-1150 °С). Красноломкость обусловливается главным образом распределением некоторых примесей (серы и меди) по границам зёрен металла.

Хладноломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры. Хладноломкостью обладают железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемно-центрированную кубическую или гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рассмотрим влияние температуры Т (°C) на характер деформации материала, которая оценивается относительным удлинением δ (%) (рис. 5). При температурах материала менее значения Т _н предел прочности на разрыв меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из хрупкого состояния в вязкое осуществляется в интервале температур от Т _н до Т _в, где Т _н – нижняя, а Т _в – верхняя границы интервала. При достижении температуры Т _в и выше, предел прочности металла становится больше предела текучести, что приводит сначала к деформированию, а затем и к разрушению материала. Такое состояние называется вязким.

Основными способами выплавки стали являются: конверторный (55 %), в дуговых электропечах (25 %) и в мартеновских печах (20 %).

 

Рис. 5. Влияние температуры на состояние материала

 

Конверторный способ получения стали позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 % металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3-0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева шихты, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет производство ее в мартеновских печах. Вместимость современных конверторов достигает 600 тонн. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как использование кислорода обеспечивает резкое (на 40 %) повышение производительности. Недостатки способа: повышенный расход огнеупорных материалов и высокий угар (потеря) металлов.

Огнеупорные материалы – это материалы, отличающиеся повышенной прочностью при высоких температурах и химической инертностью. Они применяются для производства печей, используемых в металлургических процессах, и других высокотемпературных агрегатов (реакторов, двигателей, и т.д.). Состав огнеупорных материалов представляют собой керамическую смесь тугоплавких окислов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов, обладающих огнеупорностью не ниже 1580 °C.

Угар – уменьшение массы металлов в процессе плавки. При этом образуются химические соединения металла с веществами, находящимися в зоне плавления, которые переходят затем в шлак и газовую фазу.

Производство стали в электрических печах – наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи вместимостью до 270 тонн. При плавке стали в электропечах используют как стальной скрап (металлические отходы, поступающие в переплавку для изготовления годного металла) и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера.

Лом металлов (цветных, чёрных) – эторазличные металлические изделия и конструкции, подлежащие повторной переработке. Металлоломом называют также пришедшие в негодность металлические вещи либо специально собираемый на пунктах сбора и приема металлический мусор.

 

Классификация сталей

Стали делятся по различным признакам, но наиболее часто они классифицируются по применению, химическому составу и качеству:

1) по применению стали делятся на конструкционные (машиностроительные, строительные), инструментальные и специальные (жаропрочные, магнитные, коррозионно-стойкие и др.).

Конструкционныестали применяют для изготовления деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов, строительных конструкций.

Инструментальныестали служат для изготовления металлорежущих, ударно-штамповых, а также измерительных инструментов.

Специальные стали(кислотостойкие, нержавеющие, электротехнические и др.) применяются для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях, а также под воздействием магнитных и электрических полей.

2) по химическому составу стали делятся на углеродистые с массовой долей углерода до 1,35 % и легированные, в которых, кроме C и Fe, содержатся специально добавленные легирующие элементы для придания им тех или иных свойств.

Влияние содержания углерода на свойства стали отражено на рис. 6. Увеличение содержания углерода приводит к увеличению твердости и предела прочности, но снижает пластичность сталей.

Рис. 6. Влияние углерода на свойства сталей

3) по качеству стали делятся на следующие категории:

· Стали обыкновенного качества общего назначения.

Это углеродистые стали, выплавляемые обычно в мартеновских печах и разливаемые в крупные слитки, идущие в дальнейшую переработку, а потому и наиболее дешевые. Данные стали могут иметь повышенную массовую долю серы (до 0,05-0,06 %), фосфора (до 0,04-0,07 %) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества разделяются на три группы: в группе А стали контролируются по механическим свойствам, в группе Б – по химическому составу, и в группе В – по механическим свойствам и химическому составу.

Стали углеродистые общего назначения используют в производстве листового и сортового проката, для строительных конструкций, труб, болтов, гвоздей, заклепок и других неответственных изделий.

· Стали качественные.

Это углеродистые и легированные стали, выплавляемые в кислородных конверторах с соблюдением более строгих требований к составу шихты. Массовая доля серы в качественных сталях не должна превышать 0,025 %, а фосфора – 0,030 %. Допускаемые отклонения массовой доли углерода в пределах марки – не более ±0,01 % (по ГОСТ 1050-88).

· Стали высококачественные.

Это легированные стали, выплавляемые в электропечах. Массовая доля серы и фосфора не превышает 0,001 % каждого, а допускаемые отклонения массовой доли углерода – не более 0,01 %. Высококачественные стали имеют повышенную чистоту по неметаллическим включениям.

· Стали особо качественные.

Выплавляются в электрических печах с электрошлаковым переплавом и имеют наименьшие массовые доли фосфора и серы (до 0,001 %).

 

Маркировка сталей

 

Стали обыкновенного качества маркируются индексом, начинающимся с букв «Ст», далее следует число, которое не отражает массовую долю углерода, а является лишь условным порядковым номером (табл. 1). После порядкового номера ставится обозначение способа раскисления: «сп.» и «кп.», что означает: «спокойная» и «кипящая» сталь. Стали «сп.» идут на изготовление отливок и сварных конструкций, а «кп.» используются для получения заготовок методом обработки давлением.

Качественные и высококачественные стали имеют маркировку, отражающую их химический состав. В маркировке первыми цифрами указана массовая доля углерода в сотых (для конструкционных сталей с массовой долей углерода ≤ 1 %) или в десятых долях процента (для инструментальных сталей с массовой долей углерода С >1 %).

Таблица 1. Стали углеродистые общего назначения (по ГОСТ 380–2005)

Марка стали	Механические свойства	Массовая доля хим. элементов, %
sВ, МПа	δ, %, не менее	С	Mn	Si
Ст 0	≥ 310		Не более 0,23	-	-
Ст 1кп.	300–390		0,06–0,12	0,25–0,50	Не более 0,05
Ст 2сп.	330–430		0,09–0,15	0,25–0,50	0,15–0,30
Ст 3сп.	370-480		0,14–0,22	0,40–0,65	0,15–0,30

 

Например, сталь с мас. долей С 0,07-0,14 % обозначается как сталь 10; сталь с 0,42-0,50 % С – как сталь 45; сталь с 0,95-1,05 % С – как сталь У10.

Легирующие элементы обозначаются буквами:

Е – селен; П – фосфор; Х – хром; Ф – ванадий; Н – никель; Ю – алюминий; Г – марганец; Д – медь; С – кремний; К – кобальт; М – молибден; В – вольфрам; Р – бор; Б – ниобий; Т – титан; Ц – цирконий.

Если после буквы цифра отсутствует, то массовая доля легирующего элемента в стали составляет 0,5-1,5 %.

Если легирующего элемента более 1,5 %, то цифра после буквы указывает его массовую долю в процентах.

Высококачественные стали в конце марки имеют букву А (например, 40ХН2МА).

Но из этого правила есть исключения: инструментальные, нержавеющие и жаропрочные стали – всегда высококачественные, поэтому в марках этих сталей буква А не указывается.

Особо качественные стали в конце марки имеют букву Ш.

Стали, применяемые в виде литья, в конце имеют букву Л (например, 35Л).

Шарикоподшипниковые стали в начале марки имеют буквы ШХ (например, ШХ9, ШХ15).

Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р (режущие). Следующая за ней цифры указывают массовую долю вольфрама (обычно от 6 до 18 %) – главного легирующего элемента этих сталей. Помимо обязательных вольфрама и хрома (3,0- 4,5 %), быстрорежущие стали могут содержать еще либо молибден, либо кобальт, либо ванадий.

Автоматные стали обозначаются буквой, стоящей в начале марки: А20, АС14, А40ХЕ (где Е – селен).

Механические свойства некоторых марок сталей приведены в табл. 2, а химический состав некоторых марок сталей – в табл. 3.

Химический состав и механические свойства различных сталей, чугунов и сплавов приведены в справочной литературе [1-5].

 

Таблица 2. Механические свойства сталей

Марка стали	Механические свойства	Твердость НВ, не более
sВ, МПа	sТ, МПа	δ, %	ψ, %	без ТО	после отжига
						-
						-
						-
						-
						-
15Х					-
20Х					-
20ХН					-
40Х					-
18ХГТ					-
20ХМ					-	-
40ХН					-	-
15ХГН2ТА					-	163-269
30ХГН					-	-
30ХН2МФА					-	-
18Х2Н4МА					-

 

 

Таблица 3. Химический состав сталей

Марка стали	Массовые доли элементов, %
C	Mn	Si	Cr	Ni	Другие легирующие элементы
	0,17-0,24	0,35-0,65	0,17-0,37	≤0,25	≤0,25	-
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	0,17-0,37	1,0-1,3	-	0,03-0,09Ti
15Х	0,12-0,18	0,40-0,70	0,17-0,37	0,7-1,0	≤0,30	-
15ХГН2ТА	0,12-0,18	0,8-1,1	0,17-0,37	1,0-1,3	1,4-1,8	0,06-0,12Ti
	0,23-0,40	0,5-0,8	0,17-0,37	≤0,25	≤0,25	-
	0,37-0,45	0,5-0,8	0,17-0,37	≤0,25	≤0,25	-
	0,42-0,50	0,5-0,8	0,17-0,37	≤0,25	≤0,25	-
40Х	0,36-0,44	0,5-0,8	0,17-0,37	0,8-1,1	≤0,30	-
45Х	0,41-0,49	0,5-0,8	0,17-0,37	0,8-1,1	≤0,30	-
20ХН	0,17-0,23	0,4-0,7	0,17-0,37	0,45-0,75	1,0-1,4	-
40ХН	0,36-0,44	0,5-0,8	0,17-0,37	0,45-0,75	1,0-1,4	-
30ХН2МА	0,27-0,34	0,3-0,6	0,17-0,37	0,6-0,9	1,25-1,65	0,2-0,3Mo
12Х18Н9Т	≤0,12	≤2,0	≤0,8	1,7-1,9	8,0-9,5	0,5-0,8Ti
У10	0,95-1,05	0,17-0,33	0,17-0,33	≤0,20	-	-
Р6М5	0,80-0,88	≤0,40	≤0,50	3,8-4,4	-	W:5,5-6,5Mo:5,0-5,5V:1,7-2,1
Р18	0,70-0,80	≤0,40	≤0,50	3,8-4,4	-	W:17,018,5Mo:1,0V:1,0-1,4
Р12Ф3	0,95-1,05	≤0,40	≤0,50	3,8-4,4	-	W:12-13 Mo:0,5-1,0 V:2,5-3,0
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	0,17-0,37	1,35-1,65	4,0-4,4	Mo:0,3-0,4

Чугуны

Чугун – это сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода может колебаться от 2,14 до 4 %.

Чугун широко применяется в качестве материала для деталей, эксплуатируемых при небольших напряжениях и динамических нагрузках.

Чугун получают в доменных печах, он подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, применяемый в литейном производстве.

Заготовками деталей из чугуна служат отливки, поскольку чугун обладает хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой и слабо выраженной ликвацией.

Жидкотекучесть – способность металла заполнять полость литейной формы. Она зависит от температуры заливки и химического состава металла.

Усадка – способность металла уменьшать линейные размеры и, следовательно, объем отливки при охлаждении. Чем меньше усадка, тем стабильнее размеры литых заготовок.

Ликвация – неоднородность химического состава в сплаве.

Температура плавления чугуна на 300-400 °С ниже, чем у стали, что значительно облегчает и удешевляет процесс литья.

Структура и свойства чугунов зависят от условий получения отливки и химического состава. Механические свойства чугуна связаны с формой и размерами графитных включений. По этим признакам различают следующие чугуны: серый чугун (СЧ), содержащий графит пластинчатой формы; ковкий чугун (КЧ), содержащий графит хлопьевидной формы; высокопрочный чугун (ВЧ) с графитом шаровидной формы.

На рис. 7 изображена сводная таблица классификации чугунов по форме графитовых включений:

Рис. 7. Обобщенная классификация чугуна

Чугун маркируется буквами, отражающими структуру материала, и цифрами, обозначающими предел прочности при растяжении s_В, МПа.

Рассмотрим особенности структуры чугунов различных видов.

1. Серый чугун

В структуре серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы (рисунок 8). Чем меньше пластинки, тем прочнее чугун. Но, в целом, серые чугуны имеют самые низкие механические свойства и использу