При переменном изгибе круглого образца

 

Ползучесть – свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки.

Предел ползучести материала – напряжение, при котором скорость деформации в течение определенного промежутка времени (за 100 или 10000 часов) не превышает заданного значения. Испытания проводят при постоянной температуре (700 или 200 °С).

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.

 

Технологические и эксплуатационные свойства

К технологическим свойствам относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.

Литейные свойства – способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость – способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит не только от структуры материала, но и от внешних факторов, например, температуры нагрева.

Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные сварные соединения. Материалы бывают хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит от структуры материала и технологии сварки.

Обрабатываемость – свойство материала поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Работоспособность любой детали во многом определяется эксплуатационными свойствами материала. Эти свойства учитывают особенности эксплуатации машины в конкретных условиях.

Прокаливаемость – способность стали воспринимать закалку; характеризуется глубиной проникновения закаленного (мартенсит, или полумартенсит) слоя в объем закаливаемого изделия. Прокаливаемость определяется критической скоростью закалки, зависящей от состава стали. Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость Mn, Mo, Cr, Ni. Существует много методик оценки прокаливаемости, наиболее применяемым из которых до настоящего времени является метод торцовой закалки, при котором определяют твердость, как функцию расстояния от охлаждаемого струей закалочной жидкости торца цилиндра с изолированной боковой поверхностью.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению (истиранию) под действием внешнего трения.

Жаропрочность – способность сплава сохранять высокие механические характеристики (ползучесть и прочность) при высоких температурах.

 

ГЛАВА 2.

 

ЧЕРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

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 используют их в деталях не слишком ответственного назначения и только при отсутствии ударных нагрузок.

 

 

Рис. 8. Графит пластинчатой формы

 

Процесс получения серого чугуна достаточно простой и дешевый, поэтому отливки из него являются самыми распространенными в России.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из зернистой металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.
Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С (по массе) находится в виде цементита, а остальной углерод – в виде графита; феррито-перлитной, когда массовая доля углерода в виде цементита менее 0,8 %; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для нагруженных деталей двигателей, станин станков и других ответственных изделий. Для менее ответственных деталей используется серый чугун с ферритно-перлитной основой.

Ковкий чугун

Имеет в структуре графит хлопьевидной формы (рис. 9) и, в связи с этим, более высокие механические свойства, прежде всего, пластичность. Поэтому он и называется ковким. Название нельзя понимать буквально, ни один из чугунов не куется, заготовки всех чугунов изготовляются только литьем.

Процесс получения ковкого чугуна сложнее, чем серого. Его плавят в электропечах, что позволяет полнее удалить серу и фосфор. Охлаждение ковкого чугуна идет очень долго: до 50-60 часов, что позволяет получать структуру с высокими механическими свойствами.

 

Рис. 9. Графит хлопьевидной формы

 

Ковкий чугун применяется для изготовления сравнительно небольших отливок тонкостенных деталей ответственного назначения.