2017-11-30
319Методические указания по выполнению
Лабораторных работ
Издательство Иркутского государственного технического университета
Классификация, маркировка, свойства и применение металлических материалов. Методическиие указания по выполнению лабораторных работ. Составила И.М.Шумейкина. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002.- 44с.
Изложены основные принципы классификации материалов, используемых в различных отраслях промышленности. Приведены марки конструкционных черных и цветных металлов и сплавов и инструментальных материалов, в соответствии с ГОСТами, примеры расшифровки марок; указаны основные свойства и применение отдельных групп материалов.
Предназначены для студентов всех специальностей, где предусмотрено изучение дисциплин «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов».
Рецензент канд.хим..наук, доцент кафедры сварочного произ- водства и материаловедения М.В.Константинова.
Подписано в печать Формат 60×84 1/16
Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3.
Уч.- изд. л. 3,2. Тираж экз.
И Д № 06506 от 26.12.2001.
Иркутский государственный технический университет
664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Цель работы
1. Ознакомление с классификацией металлических материалов.
2. Изучение маркировки материалов.
3. Ознакомление со свойствами и применением металлических материалов в различных отраслях народного хозяйства.
Классификация металлических материалов
Технически - чистые металлы характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяют, главным образом, их сплавы. Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы, называемых компонентами.
По основному компоненту металлические материалы классифицируют: чёрные металлы и сплавы на основе железа, к ним относят чугуны, стали и сплавы; цветные, к которым относят все остальные металлы и сплавы.
Сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность (ниже плотности железа), называют лёгкими цветными; на основе меди, свинца, олова и др. - тяжёлыми цветными; на основе цинка, олова, свинца и др. - легкоплавкими цветными; на основе титана, хрома, вольфрама, молибдена и др. - тугоплавкими цветными.
По методу придания формы материалы разделяют на деформируемые, из которых получают заготовки обработкой давлением (прокаткой, свободной ковкой, штамповкой и т.д.); литейные, которые идут для получения отливок; спеченные - для получения заготовок путём спекания порошков под давлением.
По назначению материалы разделяют на конструкционные (предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам) и инструментальные (предназначенные для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов).
Конструкционные чугуны и их маркировка
Чугуном называется сплав железа с углеродом при содержании последнего в пределах от 2,14 до 6,69 %.Кроме углерода в состав чугунов входят постоянные примеси - кремний, марганец, фосфор и сера, суммарное содержание которых колеблется в пределах от 2 до 6%.
Затвердевание чугунов происходит с образованием эвтектики при минимальном температурном интервале кристаллизации, что обуславливает их высокие литейные свойства. Используют чугуны исключительно в качестве литейного конструкционного сплава.
В зависимости от состояния углерода и формы графита, по структуре различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды, хрупки и для изготовления деталей машин не используются. Эти чугуны называют еще передельными и используют для передела в сталь и ковкий чугун.
В остальных чугунах весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита. Различают чугуны по форме включений графита, что отражается на механических свойствах.
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. В изломе отливки из серого чугуна имеют серый цвет. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные.
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают обработкой (модифицированием) жидких серых чугунов сфероидизирующими металлами (Mg, Ca, Ce и др.) и их сплавами с другими элементами. Чаще всего применяют сплавы магния и никеля или магниевые сплавы с добавкой одного или нескольких редкоземельных металлов.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых чугунов.
Маркируются чугуны буквенно-цифровым кодом. Марка обычного серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифр, показывающих значение временного сопротивления при растяжении. Например, СЧ 10 расшифровывается следующим образом: СЧ - серый чугун, 10 - временное сопротивление при растяжении sв = 100 МПа (10 кгс/мм 2). ГОСТ 1412-85 определяет марки серого чугуна: СЧ 10, СЧ 15 – характеризующиеся ферритной, СЧ20, СЧ25 – ферритно-перлитной и СЧ 30, СЧ 35- перлитной микроструктурой металлической основы. Допускаются марки СЧ 18 (ферритные), СЧ 21, СЧ 24 (ферритно-перлитные).
Марка высокопрочного чугуна (ВЧ) характеризуетсяется также временным сопротивлением при растяжении. Например, ВЧ 35 расшифровывается так: ВЧ - высокопрочный чугун, 35 - временное сопротивление при растяжении sв = 350 МПа (35 кгс/мм 2).
ГОСТ 7293-85 определяет марки высокопрочного чугуна: ВЧ 35;
ВЧ 40; ВЧ 45; ВЧ 50; ВЧ 60; ВЧ 70; ВЧ 80; ВЧ 100. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.
Ковкие чугуны (КЧ) маркируют по величине временного сопротивления при растяжении и относительному удлинению. Например, КЧ 30-6 расшифровывается так: КЧ - ковкий чугун, 30 - временное сопротивление при растяжении sв = 300 МПа (30 кгс/мм 2), 6 - относительное удлинение d = 6%.
ГОСТ 1215-79 определяет следующие марки ковкого чугуна: КЧ 30-6; КЧ 30-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 - характеризующиеся ферритной и ферритно-перлитной микроструктурой металлической основы; КЧ45-7; КЧ 50-5; КЧ55- 4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2; КЧ 80-1,5 - характеризующиеся в основном перлитной микроструктурой металлической основы.
Легированные чугуны делят на несколько групп в зависимости от легирующего компонента: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцовые и никелевые. ГОСТ 7769-82 определяет следующие марки легированных чугунов:
ЧХ1; ЧХ2; ЧХ8; ЧХ16; ЧХ32 и др. - хромистые чугуны;
ЧС5; ЧС13; ЧС17 и др. - кремнистые чугуны;
ЧЮ30; ЧЮХ; ЧЮ6С5; ЧЮ7Х2 и др. - алюминиевые чугуны;
ЧГ7Х4; ЧГ6С3 и др. - марганцовые чугуны;
ЧН2Х; ЧН4Х2; ЧН11Г7Ш и др. - никелевые чугуны.
Расшифровывается марка легированного чугуна следующим образом: например, ЧН11Г7Ш - ЧН – легированный чугун никелевый, 11 - содержание никеля 11%, Г 7 - содержание марганца 7%, Ш - графит шаровидный.
Антифрикционные легированные чугуны ГОСТ 1585-85* подразделяет в зависимости от формы включения графита. Марки легированного антифрикционного чугуна: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2. Буквы означают: АЧ - антифрикционный чугун; С - серый с пластинчатым графитом; В – высокопрочный с шаровидным графитом; К – ковкий с компактным (хлопьевидным) графитом. Цифра в марке чугуна означает порядковый номер марки, регламентирующий химический состав по легирующим элементам :1 -чугун, легированный хромом и медью; 2 -легированный никелем и титаном; 3 -легированный титаном и медью; 4 -легированный сурьмой; 5 -легированный марганцем и алюминием; 6 -легированный свинцом и фосфором.
Например, АЧС-1 расшифровывается следующим образом: антифрикционный легированный серый чугун с пластинчатым графитом (АЧС), порядковым номером 1 (легированный хромом и медью); АЧВ-2 - антифрикционный легированный высокопрочный чугун с шаровидным графитом (АЧВ), порядковым номером 2 (легированный хромом, медью, никелем и титаном).
Свойства и применение чугунов
Серыечугуны. Определяющее влияние на свойства чугуна оказывает углерод. Пластинки графита в сером чугуне играют роль надреза, ослабляющего его металлическую основу. Чем больше графитовых включений и чем они крупнее, тем ниже пластичность и прочность чугуна при растяжении. Но снижение углерода отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах. Поэтому, чугуны с нижним пределом содержания углерода применяют для толстостенных отливок, с верхним - для тонкостенных. Кроме того, графит повышает износостойкость, антифрикционные и демпфирующие свойства серого чугуна вследствие "смазывающего" действия, улучшает обработку резанием (измельчает стружку).
Применяют ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 для слабо - и средне - нагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников, насосов, а также суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Ферритно - перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колёса и другие отливки.
Перлитные серые чугуны СЧ 30, СЧ 35 обладают наиболее высокими механическими свойствами, главным образом, из-за мелких разобщенных графитных включений. Используют их для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью. По этой причине их широко применяют также для корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневматики и гидроприводов.
Высокопрочные чугуны. Шаровидная форма графита в высокопрочных чугунах не является активным концентратором напряжений и в меньшей мере нарушает сплошность металлической основы по сравнению с пластинчатой формой в серых чугунах. Они обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью.
Используют высокопрочные чугуны для массивных отливок ответственного назначения, обладающих высокой усталостной прочностью, работающих при переменных нагрузках: оборудование прокатных станов (прокатные валки, массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов), в турбостроении (корпуса паровых турбин, лопатки направляющего аппарата), в дизеле -,тракторо - и автомобилестроении (распределительные и коленчатые валы, поршни, шестерни) и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
Ковкиечугуны. Графит хлопьевидной формы в этих чугунах меньше снижает механические свойства металлической основы в отличие от пластинчатого, вследствие чего ковкий ферритный чугун по сравнению с серым обладает более высокой пластичностью, а перлитный - более высокой прочностью, твердостью, высоким сопротивлением удару.
Изготавливают из ковкого чугуна, главным образом, тонкостенные детали сложной конфигурации, работающие при высоких статических и динамических нагрузках: картеры заднего моста, ступицы грузовых автомобилей, различные педали, тормозные колодки и т. д. Большая плотность отливок из ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок. Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать отливки сложной формы. Недостаток ковких чугунов - повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.
Антифрикционныечугуны. Основные служебные свойства - антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность - способность материала обеспечить низкий коэффициент трения скольжения, и тем самым, низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала. Антифрикционность обеспечивают следующие свойства сплавов: высокую теплопроводность; хорошую смачиваемость смазочным материалом; хорошую прирабатываемость, основанную на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта; способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т.е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз.
Достоинство чугунов - невысокая стоимость; недостатки - низкая прирабатываемость по сравнению с другими антифрикционными материалами, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки. И, тем не менее, антифрикционные свойства для ряда чугунов весьма высокие, а в некоторых условиях могут быть лучше, чем у бронз.
Предназначены антифрикционные чугуны для изготовления подшипников (опор) скольжения, работающих как при малых, так и при повышенных скоростях скольжения.
Легированныечугуны. По условиям эксплуатации различают легированные чугуны жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, коррозионностойкие и немагнитные.
Хромистые чугуны применяют, главным образом, как жаростойкие, коррозионностойкие и износостойкие материалы. Как жаростойкий материал хромистые чугуны используются при изготовлении колосников и балок агломерационных машин, деталей контактных аппаратов химического оборудования, деталей турбокомпрессоров, деталей стекломашин, арматуры химического машиностроения, печной арматуры, деталей цементных печей.
Кремнистые чугуны применяют, главным образом, как окалино- и коррозионностойкие материалы. Отливки хрупки и требуют осторожного обращения при механической обработке, транспортировке и монтаже. Изготавливают из этих чугунов такие детали, как: колосники, бронеплиты для печей отжига цементной промышленности, топочную арматуру котлов, газовые сопла, подовые плиты термических печей, трубы и фасонные детали для трубопроводов и теплообменников и другие детали химической аппаратуры.
Алюминиевые чугуны применяют, главным образом, как жаростойкие и износостойкие материалы.Изготавливают из этих чугунов пресс - формы для стекольных изделий, детали печного оборудования, детали арматуры котлов, детали нагревательных печей, колосники агломерационных машин.
Никелевые чугуны применяют как немагнитные, коррозионностойкие, жаропрочные и хладостойкие материалы. Изготавливают:немагнитные литые детали электротехнической промышленности, детали бумагоделательных машин, насосы, вентили и другие детали химической и нефтеперерабатывающей промышленности и арматуростроения, детали двигателей внутреннего сгорания.
Марганцовые чугуны применяют как магнитные и износостойкие материалы. Изготавливают: немагнитные литые детали электротехнической промышленности, крышки цилиндров дизелей, головки поршней, маслоты поршневых колец, холодильные цилиндры и валы бумагоделательных машин.
Классификация и маркировка сталей и сплавов
Сталью называется сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. В сталях присутствуют также и постоянные примеси: марганец (до 0,8%), кремний (до 0,4%), фосфор (до 0,07%), сера (до 0,06%) и другие. Среди них следует особо выделить вредные примеси: серу, фосфор, кислород, водород и азот.
Сера придает стали красноломкость, т.е. хрупкость при нагреве, а фосфор - хладноломкость (повышение хрупкости, но уже без нагрева). Кислород, водород и азот являются скрытыми, количественно трудноопределяемыми примесями и снижают пластичность сталей, особенно ударную вязкость.
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 С), имеющие низкую прочность и высокую пластичность; среднеуглеродистые (0,3 - 0,55% С), обладающие повышенной прочностью и достаточной пластичностью; высокоуглеродистые ( > 0,55% С), имеющие высокую прочность, износостойкость и низкую пластичность. По массовой доле введённых легирующих компонентов легированные стали подразделяют на низколегированные (< 5%), среднелегированные (от 5 до 10%) и высоколегированные (> 10%).
Если легирующих компонентов больше, чем железа, и содержание железа менее 50 - 55%, то такие стали называют сплавами. В зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяют на коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и т.д.
По назначению стали классифицируют как конструкционные и инструметальные.
