Машиностроительные материалы. План лекций.
Материалы в машиностроении
1. Конструкционные материалы (КМ)
1.1. Машиностроительные КМ
1.2. Строительные КМ
Главные свойства
1. Эксплуатационные свойства
2. Технологические свойства
3. Стоимость
Критерии конструкционной прочности
1. Прочность
1.1. Предел длительной прочности
1.2. Предел ползучести
1.3. Предел выносливости
1.4. Предел контактной прочности и предел выносливости при изгибе
1.5. Предел упругости
1.6. УП
2. Жесткость
2.1. Модули упругости, сдвига, объемной упругости
2.2. УЖ
3. Надежность
Линейная
механика разрушения
1. Вязкое и хрупкое разрушение
2. Разрушение
2.1. Стадия зарождения трещины
2.2. Стадия развития трещины
3. Наличие в металле трещин и трещиноподобных дефектов
4. Критическая длина трещины
4.1. Докритический рост трещины
4.2. Закритический рост трещины
Охрупчивающие факторы
1. Концентраторы напряжений
2. Ударная динамическая нагрузка
3. Низкая температура
4. Масштабный фактор
5. Крупное зерно
6. Зернограничное выделение упрочняющих фаз
7. Повышенная концентрация водорода
3.1. Относительное удлинение и сужение поперечного сечения
3.2. Параметры вязкости
3.3. Температурный порог хладноломкости
3.4. Критерий трещиностойкости
4. Долговечность
Критерии долговечности
4.1. Изнашивание (скорость изнашивания)
4.2. Выносливость (СРТУ, живучесть)
4.3. Коррозионная стойкость (скорость коррозии)
4.4. Ползучесть (скорость ползучести)
Классификация сталей
1. По химсоставу
1.1. Углеродистые
1.1.1. Низкоуглеродистые C<0.3%
1.1.2. Среднеуглеродистые 0.3%<C<0.6%
1.1.3. Высокоуглеродистые C>0.6%
1.2. Легированные
1.2.1. Низколегированные ЛЭ<5%
1.2.2. Среднелегированные ЛЭ=5…10%
1.2.3. Высоколегированные ЛЭ>10%
2. По качеству, количеству вредных примесей S и P
3. По степени раскисления
3.1. СП
3.2. ПС
3.3. КП
4. По структуре после нормализации
4.1. Перлитный
4.2. Мартенситный
4.3. Аустенитный
4.4. Ферритный
5. По прочности
5.1. Нормальной прочности σB<1000 МПа
5.2. Повышенной прочности σB=1000…1500 МПа
5.3. Высокопрочные σB>1000 МПа
Основные группы конструкционных сталей
1. Углеродистые стали σB<1000 МПа
1.1. Углеродистые стали обычного качества
Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6
1.2. Углеродистые качественные стали
σB=10*(№марки+20)
1.2.1. Низкоуглеродистые
1.2.1.1. 08(пс, кп), 10 (пс,кп)
1.2.1.2. 15(пс, кп), 20 (пс, кп), 25
1.2.2. Среднеуглеродистые
Полузакаливаемые 30, 35
Хорошо закалевыемые 40, 45, 50, 55пп, 58, 60
2. Легированные стали
2.1. Легированные строительные стали
С235, С285, С390, С440, С590
2.2. Легированные машиностроительные стали
Группы легированных сталей
1. легированные стали повышенной прочности σB=1000…1400 МПа
1.1. Легированные низкоуглеродистые стали
1.1.1. Хромистые стали 15Х (ХФ, ХР), 20Х (ХФ, ХР)
1.1.2. Хромоникелевые стали 12ХН3А (Х2Н4А), 20ХН3А (Х2Н4А)
1.1.3. Комплекснолегированные стали 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА
1.1.4. Сложнолегированные стали ЭИ712=12Х2НВФА, ЭИ415=20Х2НВФА, ВКС5=16Х3НВФМБ
1.1.5. Экономнолегированные стали 18ХГТ, 30 ХГТ, 25ХГМ
1.1.6. Боросодержащие легированные стали 20ХНР, 20ХГНР, 20ХГНТР
1.1.7. Новые стали 20ХГНМАЮ, 20ХГНМТ
1.2. Легированные среднеуглеродистые стали
1.2.1. Хромистые 30Х – 50Х
1.2.2. Марганцовистые стали 30Г – 50Г, 30Г2 – 50Г2
1.2.3. Хромомарганцевые стали 40ХГ, 45ХГ
1.2.4. Хромоникелевые стали 40ХН – 50ХН
1.2.5. Молебденовые стали 30ХМ, 35ХМ, 38ХМА, 40ХМФ, 30Х3МФ
1.2.6. Комплекснолегированные стали 40ХГН2МА, 38ХН3МА, 38ХН3МФА, 18Х2Н4МА
σB=1100…1400 МПа
1.2.7. Экономнолегированные стали 30ХГСА, 35ХГСА
После НО σB=1700МПа
2. Легированные высокопрочные стали (ВПС)
Особенности
ВПС
1. Чувствительность к надрезам
2. Низкое KCT
3. Высокое сопротивление зарождению трещины
4. Склонность к замедленному разрушению
5. Подвержены водородному охрупчиванию
2.1. Комплекснолегированные среднеуглеродистые стали 30ХГСН2А-ВН, 40ХГСН3А, 40ХГСН3ВА, 40ХСН2МА, 25Х2ГСНТА, 30Х2ГН2СВФМА, 42Х2ГНМА σB=1500…1800 МПа
2.2. Среднеуглеродистые стали упрочняемые ТМО, для ТМО пригодны любые стали, σB=2800МПа при НТМО, σB=2400МПа при ВТМО, 40Х3Н2МАФА – артиллерийская сталь.
2.3. Мартенсито-стареющие стали (МСС)
2.3.1. Стали общего назначения 03Н18К9М5Т=МС200 σB=2000МПа, 03Н18К8М3Т, 03Н15К9М5ТЮ, 03Н12К8М3Г2
2.3.2. Стали коррозионностойкие 03Х11Н10М2Т, 03Х12Н10Д2ТБ, 03Х12Н8К4М2Т, 04Х14К12Н4М3ТБВ
2.4. Метастабильные аустенитные стали (МАС) 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г2С2, 30Х10АГ8ЮЗД2ФС
Стали специального назначения
1. Стали с высокой циклической прочностью
2. Материалы с высокими упругими свойствами
2.1. Рессорно-пружинные стали общего назначения
2.1.1. а) Конструкционные углеродистые 60 - 85, 60Г – 70Г
б) Инструментальные высокопрочные углеродистые стали У7А, У8А, У9А, У10, У11А, У12А
2.1.2. Легированные стали
а) кремнистые стали 55С2 (С2А), 60С2 (С2А), 70С3А
б) кремнемарганцевые стали 55СГ, 60СГ, 60С2Г
2.1.3. Комплекснолегированые стали 70С2ХА, 70С2ХМВА, 50ХФ, 50ХГФ
2.2. Стали и сплавы для пружин специального назначения
2.2.1. Коррозионностойкие стали
а) Высокохромистые стали Cr>13% 30Х13, 40Х13
б) Хромоникелевые стали аустенитного класса 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9
в) Аустенитно-мартенситные дисперсионно твердеющие стали 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю1, 08Х17Н5М3
г) МСС 03Х11Н10М2Т, 03Х17Н10Д2ТБ, 04Х14К12Н4М3ТБВ (σ0,005=1370МПа)
2.2.2. Fe-Ni 36НХТЮ, 36НХТЮМ5, 36НХТЮМ8
2.2.3. Бериллиевые бронзы БрБ2, БрБНТ-1.9, БрБНТ-1.7
Материалы с особыми технологическими свойствами
1. Материалы с улучшенной обрабатываемостью резанием
Свойства
1. мелкая сыпучая стружка
2. Низкое усилие резания
3. Невысокий коэффициент трения
4. Интенсивный теплоотвод из зоны резания
1.1. Сернистые Автоматные стали (АС) А12, А20, А30, А35, А40Г
1.2. Свинецсодержащие стали АС14, АС14ХГН, АС19ХГН, АС16ХГ, АС20ХГНМ
Термически улучшаемые стали: АС30ХМ, АС38ХМ, АС40ХМФ, АС40ХГНМ
1.3. Селеносодержащие стали А35Е, А45Е, А40ХЕ
1.4. Кальцийсодержащие стали АЦ60, АЦ40Г2, АЦ20ХН3А
2. Стали с повышенной технологической пластичностью 08 (кп, пс, сп), 10 (кп, пс, сп), 08ФКП, 08Ю,10ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ, 09Г2С
3. Свариваемость сталей
3.1. Хорошо свариваемые C<0.22% Ст1, Ст2, Ст3, 08-20, 15ХФ, 20ХФ, титан и его сплавы, однофазные латуни, алюминиевые бронзы, алюминиевые деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.
3.2. Удовлетворительно свариваемые C=0.25…0.35% Ст4, Ст5, 20-35, силумины
3.3. Ограниченно свариваемые C=0.40…0.45% 40, 45, 40ХГ
3.4. Плохо свариваемые C=0.50…0.60% 50-60, 60С2, 60СГ, Д1, Д16
4. Литейные свойства
Лучшие
литейные свойства:
1. Близость сплава к эвтектическому составу
2. Узкий интервал кристаллизации
3. Из сплавов на основе железа наилучшими литейными свойствами обладают чугуны.
Для производства отливок используют
4.1. Углеродистые стали 15Л, 20Л, 25Л,…,55Л
4.2. Легированные стали
С марганцем: 20ГЛ, 35ГЛ, 40ГЛ, 45ГЛ
С хромом: 40ХЛ
С молебденом: 40ХМЛ, 35ХМЛ, 30ХМЛ
С ванадием для размельчения зерна: 20ФЛ, 30ФЛ, 40ФЛ, 20ХГСФЛ, 30ХГСФЛ
4.3. Высоколегированные стали (специальные стали)
КС: 20Х13Л, 30Х13Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ
Жаропрочные: 20Х20Н14С2Л, 40Х24Н12СЛ
Медь и ее сплавы
σB=250…1000МПа
Ценные
свойства меди
1. Высокая технологичность (легко деформируется, хорошо сваривается и паяется, но при обработке резанием образуется непрерывная стружка)
2. КС, но боится аммиака
3. Имеет высокую тепло и электропроводность
Производится М00, М0, М1, М2, М3
1. Латуни
1.1. Однофазные латуни Zn<39% Л96, Л90, Л85, Л80, Л68, Л70, Л63
1.2. Двухфазные латуни Zn=39…43% Л60, ЛС59-1
Деформируемые латуни
1. Sn – 1% ЛО90-1, ЛО72-1, ЛО60-1 – морские латуни
2. Al<4% ЛА77-2, ЛА85-0.5 – для декоративных изделий
3. с Fe, Ni, Mn, Si ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2, ЛМцА57-3-1, ЛК80-1, ЛАНКМц75-2-2.5-0.5-0.5 – более-менее прочные σB=330…500МПа
Литейные латуни
ЛЦ40Мц3А, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ30А3 σB=290…360МПа
2. Бронзы
2.1. Оловянные бронзы
2.1.1. Деформируемые оловянные бронзы (однофазные) БрОФ6.5-0.15, БрОФ6.5-0.40, БрОФ7-0.4, БрОФ8-0.3, БрОЦ4-3 σB=330…420МПа, σ0,2=250МПа
2.1.2. Литейные оловянные бронзы (двухфазные)
2.1.2.1. БрО10Ц2, БрО8Ц4, БрО10Ф1 σB=400МПа – для подшипников скольжения
2.1.2.2. С повышенным содержанием свинца БрО5С25, БрО8С12, БрО10С10 – для подшипников скольжения при ограниченной смазке, БрО4Ц4С17
2.1.2.3. Сплавы с 3-5% олова БрО5Ц5С5, БрО3Ц7С5Н, БрО3Ц12С5 – дешевые бронзы для водопроводной арматуры, корпуса масляных насосов, σB=120…280МПа, σ0,2=100…150МПа
2.2. Алюминиевые бронзы
2.2.1. Однофазные алюминиевые бронзы Al<7% БрА5, БрА7 σB=450МПа, упрочняются ХПД до σB=900МПа – для пружин, сильфонов, мембран
2.2.2. Двухфазные алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАМц10-2, БрАЖН10-4-4 после отжига σB=500МПа, З+О(300º) σB=800МПа, у последней σB=1000МПа
2.3. Cu-Ni
2.3.1.Мельхиоры σB=450МПа МН19, МНЖМц30-1-1
2.3.2. Нейзильбер МНЦ15-20
Коррозионно-стойкие стали (КСС)
Коррозия
1. Газовая
2. Электрохимическая (ЭХК)
Показатели
коррозионной стойкости
а) скорость ЭХК
б) степень снижения статической и циклической прочности
1. Хромистые КСС Cr=13,17,25,28% 08Х13…40Х13
2. КСС с повышенным содержанием хрома 08Х17Т, 08Х18Т, 15Х25Т, 15Х28
3. Хромоникелевые КСС типа 18/9 со структурой аустенита 04Х18Н10, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9. Для ЭВТ 03Х18Н11, 03Х18Н12, 03Х18Н12Т, 08Х18Н12Т, 08Х18Н12Б σB=480…600МПа σ0,2=220…280МПа
4. Аустенито-ферритные стали 08Х22Н6, 08Х21Н6Т, 08Х17Г8Н2Т σB=800МПа σ0,2=600МПа
Жаростойкие металлы
Все КС стали являются также и жаростойкими.
Fe-Cr-Al 03Х13Ю4, 03Х23Ю5Т, Х20Н80 до 1200º
Жаропрочные стали
1. Перлитные стали tраб=450…580ºC 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х2МФ, 12Х2МФБ, 12Х2МФСР структура сорбит пластинчатый
2. Мартенситные стали tраб=450…600ºC
2.1. Низкоуглеродистые 15Х11МФ, 14Х12В2МФ, 12Х8ВМБРФ структура сорбит отпуска ЭП961, ЭП517
2.2. Сильхромы 40Х9С2, 40Х10С2М структура феррит и карбиды хрома
3. Аустенитные стали tраб=500…750ºC ГЦК – поэтому жаропрочны, Cr=14…25%, Ni=8…25%
3.1. Гомогенизированные термически не упрочняемые 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 09Х14Н16Б стабильная структура аустенита
3.2. Аустенитные стали с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7ГФ2МС фазы лавеса присутствуют
3.3. Аустенитные стали с интреметаллидным упрочнением 10Х11Н20Т3ЮР, 08Х11Н35МТЮР
3.4. Сплавы на основе никеля – нимоники ХН77ТЮР, ХН55ВМТКЮ, ХН70ВМТЮР tраб=950…1050ºC
Материалы с малой плотностью
Алюминий и его сплавы
Ценные
свойства алюминия
1. КС, из-за оксида алюминия на поверхности
2. Хорошая электропроводность
3. Высокая технологическая пластичность
4. Хорошая отражательная способность
Недостатки
1. Низкая прочность, после отжига σB=50…100МПа
2. Низкая температура плавления
Производят А999, А997, А99, А97, А95, А85, А8, А7, А6, А5, А5Е, А0
1. Деформируемые
1.1. Деформируемые не упрочняемые термической обработкой Mg=1…6.3% АМг1 – АМг6, АМц, σB=340…430МПа
Характеристики
сплавов:
1. Удовл. прочность
2. Хорошая КС
3. Свариваются хорошо
4. Высокая технологическая пластичность
1.2. Деформируемые упрочняемые ТО σB=700МПа
Группы
сплавов
1. Дуралюмины Д1, Д16, Д16Т, Д16Т σB=440МПа
2. Заклепочные сплавы Д18, В65.ю В94 σB=530МПа
3. Сплавы с Li свариваемые
4. Высокопрочные алюминиевые сплавы σB=700МПа
5. Жаропрочные алюминиевые сплавы tраб=200…300ºC
Системы
легирования:
1. Al-Cu-Mg
2. Al-Cu-Mn
3. Al-Mg-Si
4. Li
5. Al-Mg
6-7-8 не используются
9. Al-Zn-Mg-Cu
2. Литейные алюминиевые сплавы
Al-Si
1. Простые силумины АК12 σB=150МПа
2. Легированные силумины
2.1. Al-Si-Mg АК7ч, АК8 σB=330МПа
2.2. Al-Si-Cu АК5М, АК5М2, АК5М7, АК8М2, АК8М3, АК12М2МгН
Al-Cu
АМ5, АМ4.5Кд, ВАЛ-14 при литье в землю σB=460МПа в кокиль σB=520МПа
Al-Mg
АМг5К, АМг5Мц, АМг10 σB=370МПа
Титан и его сплавы.
Достоинства
1. Тугоплавок, прочен, пластичен
2. Высокая КС
3. Жаропрочен
4. Хладостоек
5. Технологичен, за исключением ОР
6. Биологически инертен
Недостатки
1. Низкий модуль упругости
2. Низкая износостойкость
3. Жаростоек до 300º, свыше интенсивно поглощает газы
4. Сильно зависит от чистоты, чем чище – тем более тверд и прочен, но менее пластичен и вязок
5. Обладает высокой химической активностью, поэтому:
5.1. При любом виде горячей обработки нужна газовая защита
5.2. Получение титана в чистом виде затруднено.
Легирующие элементы по влиянию делятся
1. Нейтральные Sn, Zr
2. α-стабилизаторы Al
3. β-стабилизаторы
3.1. Изоморфные V, Mo, Nb, Ta
3.2. Эвтектоидообразующие Cu, Mn, Fe, Cr
Структура титановых сплавов
1. α-сплавы, сплавы с повышенной прочностью σB=800…1000МПа
2. Псевдо-α-сплавы
2.1. Сплавы с высоко технологической пластичностью ОТ4, ОТ4-1 σB=550…900МПа
2.2. Высокожаропрочные сплавы ВТ18 tраб=600ºC ВТ20 tраб=500…550ºC σB=950…1150МПа
3. (α+β) – сплавы ВТ3-1 σB=1150…1250МПа ВТ6, ВТ8, ВТ14, ВТ16, самый прочный ВТ22 σB=1250…1350МПа
4. Псевдо-β-сплавы ВТ15, ВТ19, ВТ32, и ВТ35 - σB=1000…1600МПа после закалки и ИС
2. Инструментальные материалы
1. Материалы для режущих инструментов
1.1. Углеродистые стали У8…У13 (А)
1.2. Низколегированные стали ХВ4, Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ
1.3. Быстрорежущие стали Р6М5, Р18, Р9, Р9Ф5, Р9К10
1.4. Порошковые твердые сплавы Т10К5
2. Стали для ГОД и ХОД
2.1. ХОД У10…У12, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, Х12, Х12М, Х12Ф1
2.2. ГОД
2.2.1. Стали для молотовых штампов 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ
2.2.2. Стали для штампов горизонтально-ковочных машин и прессов 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 4Х5В2ФС
3. Материалы с особыми физическими свойствами (для
приборостроения)