Файл: Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов.pdf

О р г а н и ч е с к и е м а т е р и а л ы — природные, ис­ кусственные (химически переработанные природные) и синтетические (синтезированные из низкомолекулярного сырья) — превосходят металлы по химической стойкости, а минералы — по способности к деформации, но усту­ пают им по теплостойкости.

Чтобы усилить преимущества и ослабить недостатки разных групп материалов, применяют композиционные материалы, составленные из компонентов разной приро­ ды, например резинотканевые, стеклопласты и др.

2. Выбор группы материала

К какой группе должен относиться материал конст­ рукции, конструктор определяет до начала конструиро­ вания, как правило, без специальных расчетов, на осно­ вании соображений о размерах, форме, рабочих темпе­ ратурах, действующих Нагрузках, способе изготовления и общей стоимости конструкции. Опытный конструктор подходящую группу выбирает сразу же, как только выяс­ нит назначение, особенности формы и условия изготовле­ ния конструкции. У недостаточно опытного конструктора выбор основной группы материала может вызвать за­ труднения. Для решения этой задачи можно воспользо­ ваться данными табл. 1.

Если технически возможно использование разных групп и ассортимент наличных материалов достаточно велик, выбор определяется наибольшей экономичностью, т. е. наименьшими суммарными затратами на производ­ ство и эксплуатацию конструкции. При ограниченных возможностях производства решающими при выборе ма­ териала могут оказаться его технологические характери­ стики. При ограниченном ассортименте материалов ре-

38

Глава III

Выбор материала

1, Выбор стали

Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали конструкций делают из углеродистой или легированной стали.

Углеродистая сталь может быть низкоуглеродистой (при содержании углерода до 0,10%), малоуглеродистой

(0,15<С<0,3%), среднеуглеродистой (0,30<С<0,7%) и

высокоуглеродистой (С>0,7%).

Различают углеродистую сталь обыкновенного каче­ ства (ГОСТ 380-60), качественную конструкционную (ГОСТ 1050-60) и инструментальную качественную и вы­ сококачественную (ГОСТ 1435-54).

Углеродистая сталь обыкновенного качества чаще маркируется по механическим свойствам в состоянии по­ ставки. Эта группа включает в себя низкоуглеродистую сталь марок Ст. 1, Ст. 1кп, МСт. 1, МСт. 1кп, КСт. 1, КСт. 1кп, малоуглеродистую сталь марок Ст. 2, Ст. 2кп, Ст. 3, Ст. Зкп, Ст. 4, Ст. 4кп, МСт. 2, КСт. 2, БСт. 3 и др. и среднеуглеродистую сталь марок Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7, МСт. 5, КСт. 5, БСт. 6 и др.

Буквы «кп» означают, что сталь заливается в со­ стоянии бурного выделения окиси углерода и не содер­ жит добавки кремния для раскисления. Буквы М, К и Б

40

указывают способ плавки стали, соответственно, в марте­ новской печи (М), кислородном (К) и воздушном бес­ семеровском (Б) конверторе.

Сталь обыкновенного качества используется в строи­ тельных и мостовых конструкциях, в вагоностроении, су­ достроении и др. Забракованная низко- и малоуглероди­ стая сталь маркируется Ст. О (МСт. О, КСТ. О, БСт. 0) и идет на неответственные изделия.

Качественная конструкционная углеродистая сталь маркируется по содержанию углерода в сотых долях процента и включает в себя низкоуглеродистую сталь марок 05кп, 08, 08кп, 10 и Юкп, малоуглеродистую ма­ рок 15кп, 15, 20кп, 25кп, 25, 15Г, 20Г, 25Г, среднеуглеро­ дистую марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, ЗОГ, 35Г, 40Г

и т. д. до 65Г и высокоуглеродистую марок 70, 75, 80 и 85. Буква Г означает, что сталь содержит повышенное количество марганца — 0,7—1 %'.

Высокоуглеродистая инструментальная сталь марки руется по содержанию углерода в десятых долях процен­ та и включает в себя качественную сталь марок У7, У8 У9 и т. д. до У13 и более чистую — высококачественную марок У7А, У8А и т. д. до У13А.

Основные недостатки углеродистой стали — малая прокаливаемость и быстрое снижение твердости при на­

греве выше 200° С.

Свойства углеродистой стали изменяются термиче­ ской, химико-термической обработкой и наклепом. Гра ницы изменения свойств стали приведены в табл. 2.

Низколегированная сталь похожа по свойствам на углеродистую, но может закаливаться насквозь в сече ниях толщиной более 20 мм при охлаждении в масле. Автоматная сталь легирована серой с марганцем, фос­ фором, а иногда и свинцом. Такая сталь обрабатывает­ ся резанием лучше углеродистой и применяется для

41

О п т и м а л ь н о е с о ч е т а н и е с в о й с т в п р и д и н а м и ч е с к и х н а г р у з к а х

1 В числителе указано значение характеристики, в знаменателе —обработка, при которой дости- ^ гается это значение.

изготовления малонагруженных изделий на автоматиче­ ских металлорежущих станках.

Среднелегированная сталь по свойствам похожа на низколегированную, но прокаливается еще глубже.

Сталь высоколегированная обладает особыми свой­ ствами; к ней относятся нержавеющая, окалиностойкая, жаропрочная, немагнитная, быстрорежущая и др.

По назначению различают сталь низколегированную строительную обыкновенного качества (ГОСТ 5058-57), качественную легированную машиностроительную (ГОСТ 4543-61), легированную (ГОСТ 5950-54), быстро­ режущую (ГОСТ 9373-60), высоколегированную сталь и сплавы с особыми свойствами (ГОСТ 5362-61), пружин­ ную (ГОСТ 2052-53), шарикоподшипниковую (ГОСТ

801-60), котельную (ГОСТ 5520-62) и др.

Конструкционная, инструментальная, нержавеющая и другие легированные стали маркируются по типу леги­ рующих элементов, обозначаемых буквами: X — хром, Г — марганец, С — кремний, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, Ю —алюми­ ний, Д — медь, П — фосфор, Р (не в начале марки) — бор и др. Если содержание элемента больше 1,5%, по­ сле буквы ставится цифра (не всегда), указывающая его содержание в процентах.

Легированная сталь малоуглеродистая цементируе­ мая закаливается на высокую прочность. Для получения высокой твердости ее подвергают цементации (насыще­ нию поверхностного слоя стали углеродом), закалке и низкому отпуску. При содержании углерода 0,3—0,5% легированная сталь у л у ч ш а е м а я закаливается на вы­ сокую твердость, а после высокого отпуска приобретает высокую ударную вязкость и пластичность и называется

44

0,5%' углерода, закаливается на высокую твердость и подвергается низкому или среднему отпуску.

В марках конструкционной легированной стали со­ держание углерода в сотых долях процента обозначает­ ся цифрой перед буквами (например, ЗОХГС). В. марках стали с особыми свойствами и в инструментальной пер­ вая цифра обозначает содержание углерода в десятых долях процента, но часто не указывается (например, 3X13, ЗХС, ХВГ). В марке нержавеющей стали 0 перед буквами означает, что содержание углерода в ней не превышает 0,08% (например, 0X13).

Легированная сталь дороже углеродистой, хуже об­ рабатывается резанием, а ее термообработка сложнее.

Возможности изменения свойств и рекомендуемые ре­ жимы термической обработки важнейших групп легиро­ ванной стали приведены в табл. 3.

Детали, формуемые холодной высадкой, вытяжкой, гибкой и т. д., выполняют из достаточно пластичной ста­ ли: малонагруженные — из стали марок ОБкп, 08кп, 08Т (с добавкой титана для связывания углерода), 10, Ст. 1; более нагруженные — из стали марок 15, 20, 25, Ст. 2, Ст. 3, 10Г2, 15Г, 20Г и 16ХСН. Нержавеющие детали формуют из мягкой нержавеющей стали, хромистой ста­ ли 0X13 и 0X17 и более пластичной, но дорогой хромони­ келевой стали 0Х18Н9, 0Х18Н14 и 0Х12Н12.

Для сварных конструкций предпочтительнее мало­ углеродистая сталь марок Ст. 3, 15, 20, прочность кото­ рой можно увеличить в полтора-два раза закалкой с 910—950° С в воде и отпуском при 600—650° С без по­ тери пластичности. Для конструкций повышенной проч­ ности применяют легированную сталь: строительную марок 15СГ, 18ГС, 10Г2СД, 14ГС, 10ХСНД, 12ХГ, 15ХГН и котельную марок 16М. 12МХ, 15ХМ, 12ХМФ. Для термически обрабатываемых высокопрочных сварных

45

Таблица 3

Характерные режимы термообработки легированной стали