- •С. В. Сапунов материаловедение и технология конструкционных материалов
- •080200 – Менеджмент, профиль «Производственный менеджмент
- •Санкт-Петербург
- •Предисловие
- •Раздел 1 теоретические основы материаловедения
- •1.1. Предмет материаловедения
- •1.2. Мировое производство материалов
- •1.2.1. Черные и цветные металлы
- •1.2.2. Преимущества и недостатки стали
- •1.2.3. Принципы маркировки и сортамент материалов
- •Обозначения стали 45
- •1.3. Строение металлов
- •1.3.1. Основные типы кристаллических решеток
- •1.3.2. Дефекты в кристаллах
- •1.4. Строение металлического слитка
- •1.5. Деформация и разрушение металлов
- •1.6. Возврат и рекристаллизация
- •1.6.1. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •1.7. Механические свойства материалов
- •1.7.1. Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •1.7.2. Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3 . Определение твердости по Виккерсу
- •1.7.3. Определение ударной вязкости при изгибе
- •1.8. Полиморфные превращения
- •1.9. Строение сплавов
- •1.10. Диаграмма состояния железо – цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •1.11. Железо и сплавы на его основе
- •1.12. Легирующие элементы в стали
- •1.12.1. Структурные классы легированных сталей
- •1.12.2. Цели легирования
- •Раздел 2 управление свойствами металлов и сплавов
- •2.1. Термическая обработка
- •2.1.1. Отжиг
- •2.1.2. Закалка и отпуск
- •2.1.3. Старение сплавов
- •2.2. Термомеханическая обработка
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •2.3. Деформационное упрочнение
- •2.4. Химико-термическая обработка
- •Раздел 3 промышленные материалы
- •3.1. Классификация сталей
- •3.2. Конструкционные стали и сплавы
- •3.2.1. Углеродистые стали
- •3.2.2. Легированные стали
- •3.2.3. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •3.3. Инструментальные стали и сплавы
- •3.4. Чугуны
- •3.5. Магний и сплавы на его основе
- •3.6. Алюминий и сплавы на его основе
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •3.7. Титан и сплавы на его основе
- •3.8. Медь и сплавы на ее основе
- •3.9. Тугоплавкие металлы и сплавы
- •3.10. Антифрикционные материалы
- •3.11. Полимеры и пластмассы
- •3.12. Композиционные материалы
- •Раздел 4 технология конструкционных материалов
- •4.1. Способы получения металлов и сплавов
- •4.2. Вторичная плавка металлов и сплавов
- •4.3. Технологии литейного производства
- •4.3.1. Литейные формы
- •4.3.2. Литье в объемные песчаные и оболочковые формы
- •4.3.3. Литье в кокиль, литье под давлением, литье вакуумным всасыванием и выжиманием
- •4.3.4. Литье по выплавляемым моделям
- •4.3.5. Центробежное, непрерывное и полунепрерывное литье
- •4.3.6. Электрошлаковое литье
- •4.4. Технологии обработки металлов давлением
- •4.4.1. Прокатка
- •4.4.2. Волочение и прессование
- •4.4.3. Ковка
- •4.4.4. Горячая штамповка
- •4.4.5. Холодная штамповка
- •4.5. Технологии сварки и пайки
- •4.5.1. Термические виды сварки
- •4.5.2. Механические виды сварки
- •4.5.3. Термомеханические виды сварки
- •4.5.4. Резка металлов
- •4.5.5. Пайка металлов
- •4.6. Технологии обработки резанием
- •4.6.1. Обработка на токарных станках
- •4.6.2. Обработка на сверлильных и расточных станках
- •4.6.3. Обработка на фрезерных станках
- •4.6.4. Обработка на строгальных, долбежных и протяжных станках
- •4.6.5. Обработка на шлифовальных, заточных и отделочных станках
- •4.6.6. Обработка на многооперационных станках
- •4.7. Физико-химические методы размерной обработки
- •4.7.1. Электрофизические методы
- •4.7.2. Электрохимические методы
- •4.8. Технологии обработки пластмасс
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Содержание
- •Раздел 1 4
- •Раздел 2 36
- •Раздел 3 46
- •Раздел 4 70
Раздел 3 промышленные материалы
3.1. Классификация сталей
Сталь принято классифицировать по трем основным характеристикам – назначению, составу и качеству.
1. По назначению различают стали:
конструкционные, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали);
инструментальные, предназначенные для изготовления режущего и штампового инструмента.
2. По составу различают стали:
углеродистые (в зависимости от содержания углерода делятся на низко-, средне- и высокоуглеродистые – до 0,25, 0,3–0,55, 0,6% С и более соответственно);
легированные (в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов делятся на низко-, средне- и высоколегированные – до 2,5, от 3 до 10 и свыше 10% соответственно).
3. По качеству (определяемому содержанием вредных примесей) различают стали:
обыкновенного качества, содержат не более 0,05% S, 0,04% P, 0,08% N, маркируются буквами Ст (например, БСт3, Ст5Гпс);
качественные, содержат не более 0,04% S и P и меньшее количество неметаллических включений (например, 30, 60Г, 25ХГМ, У8, 9ХС);
высококачественные, содержат не более 0,025% S и P, обозначаются буквой А в конце марки (например, 12Х2Н4А, У12А);
особо высококачественные, содержат не более 0,015% S и 0,025% P, обозначаются буквами в конце марки, стоящими через черточку и указывающими на способ выплавки: ВД – вакуумно-дуговой; ВИ – вакуумно-индукционный; П – плазменный; Ш – шлаковый; ЭЛ – электронно-лучевой (например, 45ХН2МФ-Ш).
3.2. Конструкционные стали и сплавы
Конструкционные стали и сплавы в зависимости от состава делят на следующие группы:
3.2.1. Углеродистые стали
а) Стали обыкновенного качества по ГОСТ 380–94 являются наиболее дешевыми; маркируются буквами Ст (Ст0, Ст1, … Ст6); цифра указывает на группу прочности – чем выше, тем больше предел прочности, что вызвано бóльшим содержанием углерода.
Стали обыкновенного качества подразделяются на три группы (обозначаемые буквами, которые могут стоять в самом начале марки):
А – с гарантированными механическими свойствами – не подвергается ТО у потребителя (буква А обычно не пишется, а подразумевается);
Б – с гарантированным химическим составом – требуется для успешной горячей обработки у потребителя;
В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом – обеспечивает качественную сварку у потребителя.
В конце марки указывается степень раскисления: сп – спокойная (не пишется, подразумевается); пс – полуспокойная; кп – кипящая. Спокойная сталь обладает самыми лучшими механическими свойствами и является более дорогой, так как требует наибольшего количества раскислителей. Например, самой распространенной сталью является Ст3 – сталь конструкционная, углеродистая, обыкновенного качества, 3-й группы прочности с гарантированными механическими свойствами, спокойная. Некоторые марки выпускаются с повышенным (до 0,8–1,1%) содержанием марганца, например БСт5Гпс.
Из сталей обыкновенного качества изготавливают горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки, которые широко используются в строительстве, мосто- и судостроении, для изготовления малонагруженных деталей машин и т. п.
б) Стали с повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные) по ГОСТ 1414–75 используются для изготовления деталей резанием на станках-автоматах (дают дробленную стружку в отличие от сливной стружки в виде винтовых пружинок, характерной для других сталей). Марка таких сталей начинается с буквы А (А12, А20, А40Г и др.), после которой идет цифра, указывающая на содержание углерода в сотых долях процента. Для повышения обрабатываемости резанием они имеют повышенное содержание серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,15%) и/или включают в свой состав до 0,008% кальция (Ц), до 0,1% селена (Е), до 0,35% свинца (С) и другие элементы. Например, АЦ20 – сталь конструкционная, углеродистая, автоматная – кальцийсодержащая, имеющая в своем составе 0,20% С.
в) Литейные стали по ГОСТ 977–88 имеют повышенную жидкотекучесть благодаря повышенному содержанию серы (до 0,07%) и фосфора (до 0,09%). Марка этих сталей начинается с цифры, указывающей на среднее содержание углерода в сотых долях процента, и заканчивается буквой Л (15Л, 20Л, …, 55Л). Одной из самых распространенных для прочных отливок является марка 40Л – сталь конструкционная, углеродистая, литейная, содержащая 0,40% С.
г) Качественные стали по ГОСТ 1050–88 используются для изготовления более ответственных деталей в машиностроении и, как правило, подвергаются ТО. Маркируются цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в сотых долях процента (05, 08, 10, 15, …, 85). Некоторые низкоуглеродистые стали выпускаются кипящими и полуспокойными (05кп, 20пс и т. д.), а средне- и высокоуглеродистые – с повышенным содержанием марганца (60Г, 70Г).
Низкоуглеродистые стали имеют сравнительно небольшую прочность (σв = 330…460 МПа) и высокую пластичность (δ = 33…23%), хорошо штампуются и свариваются, часто используются без ТО. Сталь марок 05, 08, 10 обычно используется для листовой штамповки; а марок 10, 15, 20, 25 – подвергается упрочнению за счет цементации и других видов ХТО.
Среднеуглеродистые стали марок 30, 35, …, 55 обладают лучшим сочетанием прочностных и пластических свойств (σв = 500…610 МПа, δ = 21…16%); применяются после нормализации, улучшения или поверхностной закалки для изготовления ответственных деталей во всех отраслях машиностроения (валы, шестерни, шатуны и т. п.). Сталь 50ПП имеет пониженную прокаливаемость и используется для изготовления шестерен и других деталей, работающих при динамических нагрузках.
Высокоуглеродистые стали обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; их применяют после закалки и отпуска, нормализации и отпуска или поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при высоких статических и динамических нагрузках (крупные пружины, рессоры, шпиндели, прокатные валки и др.). Более высокой упругостью обладают стали с повышенным содержанием марганца (60Г, 65Г, 70Г), подвергнутые закалке и среднему отпуску на структуру троостита. Сталь марок 75, 80, 85 используется для изготовлении пружинной проволоки и канатов.