Файл: Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 0
можно объединить в две |
большие группы — черные и |
цветные металлы. |
(во главе с железом) — темно- |
Ч е р н ые м е т а л л ы |
серые, имеют большой удельный вес (кроме щелочнозе мельных), высокую температуру плавления, относитель
но высокую твердость и |
во многих случаях обладают |
полиморфизмом. |
(во главе с медью) чаще все |
Ц в е т н ы е ме т а л л ы |
го окрашены в красный, желтый, белый цвет, обладают большой пластичностью, малой твердостью, относитель но низкой температурой плавления для многих из них и отсутствием полиморфизма для большинства.
§ 1. Ч Е Р Н Ы Е М ЕТА ЛЛЫ
Согласно классификации к черным металлам отно сятся железо, сталь и чугун. Наибольшее применение в технике имеют сталь и чугун.
Сталь и чугун имеют первостепенное значение для народного хозяйства каждой страны. Жизнь человече ства немыслима без различного рода машин и механиз мов, аппаратов и приборов, средств транспорта и связи. Сельское хозяйство широко использует тракторы, ком байны, многочисленные разнообразные машины, орудия и инвентарь.
На современном уровне технического развития в большинстве сфер применения сталь и чугун не утрати ли своего значения. Об этом весьма убедительно свиде тельствуют следующие данные: в 1900 г. удельный вес черных металлов в производстве (по весу) составлял
96%, в 1964 г,— 92%.
Есть все основания полагать, что ведущая роль чер ных металлов сохранится еще длительное время, хотя
50
в связи с развитием химической промышленности струк тура материалопотребления несколько изменится в поль зу синтетических материалов (табл. 4).
Таблица 4
Производство стали, пластических масс и синтетических смол в СССР
Наименование
С т а л ь .............................
Пластические массы и
I960 г. |
1970 Г . |
19Г0 г. |
млн.яг М Л Н . - И 4 млн. т М Л Н . М Л млн. т млн. мл
65,3 |
8,5 |
145 |
19 |
250 |
32 |
синтетические смолы |
0,33 |
0,25 |
4 |
3 |
20 |
15,4 |
Сталь представляет собой деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода. Основные способы получения стали — в мартеновских или в электрических печах, а также в бессемеровских или томасовских кон вертерах.
Количество примесей, входящих в состав стали, в том числе и тщательно приготовленных сортов ее, весьма велико. Даже в так называемом «чистейшем» железе, выплавленном в вакууме, было обнаружено до 27 эле
ментов.
Примеси, входящие в состав стали, можно разделить на четыре группы:
1. Постоянные, или обычные, примеси — это те спут ники основного элемента — железа, которые содержатся
4* |
51 |
в рудах или в сырых материалах, применяемых при промышленном способе производства стали. К ним относятся углерод, кремний, марганец, сера, фосфор. Содержание этих примесей в обычной, так называемой углеродистой стали: от 0,1 до 0,8% марганца, от следов до 0,4% кремния, до 0,08% серы, до 0,1% фос
фора.
2. Скрытые примеси также являются спутниками основного элемента — железа, но содержание их в стали очень мало (обычно не превышает сотых долей процен та). К этим примесям относятся газы — кислород, азот, водород и др.
3.Случайные, или местные, примеси переходят в сталь благодаря тому, что они содержатся в рудах или
всырых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали.
4.Специальные примеси (легирующие элементы) вводят в состав стали, чтобы обеспечить определенные, особо нужные по условиям работы деталей свойства стали: магнитные, жаропрочные и др. Сталь, в состав которой введены специальные примеси, называют легировэнной.
В зависимости от того, дл я к а ких ц е л е й при м е н я ю т с я с т а л и , их можно объединить в следую щие группы:
К о н с т р у к ц и о н н ы е стали, идущие на изготов ление деталей машин. В зависимости от условий работы конструкционные стали подвергают или цементации, или улучшению, поэтому их в свою очередь разделяют на стали цементируемые и улучшаемые.
И н с т р у м е н т а л ь н ы е с т а л и , идущие на изго товление режущего, измерительного и прочего инстру мента, штампов.
52
С т а л и о с о б о г о н а з н а ч е н и й , к которым относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выра женным свойством. Такими сталями являются: нержа веющие стали, жароупорные и теплоустойчивые, износо
устойчивые, с особыми |
магнитными |
и электрическими |
|
свойствами и т. д. |
с о с т а в у |
сталь |
делится на |
По х и м и ч е с к о м у |
|||
углеродистую и легированную. |
распространенный |
||
Углеродистая сталь — наиболее |
|||
продукт металлургической промышленности. |
Она широ- |
Рис. 19. Крепежные детали из сталей Ст. 2 и Ст. 3.
ко применяется для всевозможных сооружений (желез ных дорог, мостов, каркасов зданий), деталей машин
и т. д.
Углеродистая сталь в зависимости от применения разделяется на конструкционную сталь, содержащую от 0,05 до 0,65% (редко до 0,85%) углерода, и инструмен тальную, содержащую от 0,65 до 1,35% углерода.
53
Конструкционная сталь (рис. 19 и 20) по ГОСТу раз деляется на две группы:
1. Сталь углеродистую обыкновенного и повышенно го качества, горячекатанную, выплавляемую мартенов ским или бессемеровским способом; эта сталь исполь зуется для сортового и листового проката, гвоздей, заклепою болтов, труб и т. д.
Рис. 20. Валы, оси, бандажи, шестерни из сталей Ст. 5 и Ст. 6.
2. Сталь углеродистую, качественную, машинострои тельную, горячекатанную и кованую, выплавляемую в мартеновских или электрических печах; эта сталь используется для изготовления более ответственных деталей машин и механизмов.
Существенным недостатком углеродистой стали яв ляется то, что эта сталь не обладает нужным сочетанием механических свойств. С увеличением содержания угле рода увеличивается пластичность и вязкость, растет хрупкость.
54
Качественные углеродистые стали в обозначениях своих марок имеют цифры, показывающие содержание углерода в сотых долях процента. Например, стали ма рок 10 и 30 содержат соответственно около 0,10 и 0,30% углерода. Если в обозначении марки стали имеется бук ва А, например сталь 10А, 15А, 20А и т. д., то это обо значает, что сталь высококачественная, т. е. имеет по ниженное количество вредных примесей (фосфора и серы).
Углеродистые стали обыкновенного качества марки руются или только порядковыми цифрами, или, кроме
Рис. 21. Слесарные и кузнечные инструменты, работающие на удар, из стали У7.
55
того, буквами, обозначающими печи, в которых сталь изготовлялась. Например, Ст. О, Ст. 1, Ст. 1кп, Ст. 2, Ст. 7, МСт. 3, БСт. 3 и т. д. Буквы обозначают: М — мартеновская, Б — бессемеровская, кп — кипящая.
Инструментальная сталь выплавляется в мартенов ских и электрических печах. Применяется она для изго товления различных инструментов — режущих, измери тельных, ударных и др. (рис. 21). Инструментальная сталь делится на качественную и высококачественную. Сталь качественная обозначается буквой У и цифрой, указывающей количество углерода в десятых долях про цента, например У7, У8 и далее до У13.
Сталь высококачественная инструментальная содер жит меньше примесей (серы, фосфора), чем качествен ная; при ее маркировке добавляют букву А, например У7А, У8А и далее до У13А.
Выбор марки стали и термическая обработка опреде ляются назначением и характером эксплуатации инст румента.
Легированные стали — это стали, содержащие, поми мо углерода и обычных примесей, также и другие, улучшающие ее свойства элементы.
Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, ко
бальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. |
* |
Вводимые в сталь легирующие элементы изменяют ее |
|
механические, физические и химические свойства. |
В за |
висимости от назначения стали в нее вводят те или иные элементы, изменяющие свойства в нужном направлении. Важно отметить, что большинство марок легированной стали приобретает высокие физико-механические свой ства только после термической обработки. По суммарно му количеству содержащихся в стали легирующих эле ментов различают: низколегированную сталь (суммарное
56
содержание легирующих элементов менее 2,5%), средне легированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную
(более 10%).
В зависимости от назначения легированную сталь делят на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физико-механическими свойствами.
Конструкционную сталь применяют для изготовления деталей машин, инструментальную — для изготовления режущего, измерительного, штампового и другого инст румента.
К сталям с особыми свойствами относят: нержа веющие, жаростойкие, кислотостойкие, износоустой чивые, с особыми магнитными и электрическими свой
ствами.
Легированные стали маркируются буквами и цифра
ми или числами, характеризующими состав стали |
и со |
||||||||
держание входящих |
в нее |
элементов. |
Значения |
букв: |
|||||
Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, В — |
|||||||||
вольфрам, |
Ф — ванадий, |
Т — титан, |
М — молибден, |
||||||
Ю — алюминий, |
К — кобальт, |
П — фосфор, |
Д — медь, |
||||||
Р — бор. |
стоящее |
впереди |
буквенных |
обозначе |
|||||
Число, |
|||||||||
ний, означает |
обычно содержание |
углерода в |
сотых |
||||||
долях процента, |
а цифра, стоящая |
на |
этом |
же |
месте, |
означает содержание углерода в десятых долях. Цифра или число, стоящее после буквы, означает округленное содержание данного элемента в стали. Например, марка 12ХНЗА означает хромоникелевую сталь с содержанием углерода около 0,12%, хрома около 1%, никеля около 3%. серы и фосфора — пониженное содержание. Так же маркируются стали с особыми свойствами.
Механические свойства некоторых марок углероди стой и легированной стали приведены в таблице 5.
57
Марка
стали
Ст. 2 Ст. 3 Ст. 4
ЗОХ
40Х
50Х
Механические свойства стали |
Таблица 5 |
|
|
||
Предел прочности, Предел текучести, |
Мера |
|
кГ\М.мх |
кГ,ммd |
пластичности, |
|
|
% |
Углеродистая |
сталь |
|
3 4 -4 2 |
19 -22 |
31 |
3 8 -4 0 |
22 -2 4 |
27 |
4 2 -4 4 |
2 4 -2 6 |
25 |
Легированна^ |
сталь |
|
Хромистая
90 |
70 |
12 |
100 |
80 |
10 |
110 |
■90 |
9 |
Хромокремнистая
ЗЗХС |
90 |
70 |
13 |
38ХС |
95 |
75 |
12 |
40ХС |
125 |
110 |
12 |
|
Хромова надиевая |
|
|
15ХФ |
75 |
55 |
13 |
20ХФ |
80 |
60 |
12 . |
40ХФА |
90 |
75 |
10 |
58