- •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
4.2. Вторичная плавка металлов и сплавов
Вторичная плавка стали и сплавов, включая металлолом, производится в вагранках, пламенных печах, конверторах, дуговых и индукционных электропечах. Для плавки металла при изготовлении крупных отливок из чугуна чаще всего используют вагранки11, а из стали – мартеновские12 или дуговые13 печи.
Вторичную плавку сплавов на медной основе производят в тигельных, пламенных печах, в дуговых и индукционных электропечах.
Алюминиевые сплавы обычно плавят в электропечах сопротивления и индукционных печах.
Плавку магниевых сплавов производят лишь в нейтральной, бескислородной атмосфере или под слоем флюса на основе фторидов и хлоридов щелочных металлов.
Для плавки титановых сплавов применяют специальные тигельные печи, предотвращающие окисление металла.
4.3. Технологии литейного производства
Литейное производство является отраслью машиностроения, в которой заготовки или детали (отливки) изготовляются путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в полость литейной формы. Литьем можно изготавливать заготовки очень сложной формы, которые трудно или невозможно получить другими видами обработки – ковкой, штамповкой или сваркой. Литье применяют для получения заготовок деталей общего назначения, к которым не предъявляются особые требования по механическим и эксплуатационным свойствам; а также заготовки ответственных деталей, таких как детали ДВС (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы), рабочие колеса и лопасти газовых турбин и т.д. Доля литых заготовок в машинах может составлять 40–70% по массе. Масса отливок может быть от нескольких граммов (детали приборов) до десятков тонн (станины станков, роторы турбогенераторов).
Технология получения отливок складывается из следующих основных операций:
приготовление формовочной смеси;
изготовление модельной оснастки и/или литейной формы;
расплавление металла и заливка его в рабочую полость литейной формы;
кристаллизация металла в литейной форме;
выбивка отливки из формы;
обрубка прибылей и литниковой системы;
термическая обработка;
очистка поверхности отливки.
Полученные таким образом отливки, как правило, подвергаются последующей механической обработке для снятия заусенцев и припусков с целью получения точных геометрических размеров и необходимой шероховатости поверхности деталей.
Металлы и сплавы, используемые для производства отливок, должны иметь хорошие литейные свойства: обладать жидкотекучестью и небольшой литейной усадкой.
Жидкотекучесть – это способность металлов (сплавов) в расплавленном состоянии хорошо течь и заполнять рабочую полость литейной формы. Чем больше жидкотекучесть металла, тем тоньше может быть получены стенки отливки. У железоуглеродистых сплавов с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора жидкотекучесть улучшается, а с повышением содержания серы – ухудшается.
Литейная усадка – это уменьшение объема и линейных размеров при затвердевании расплавленного металла и охлаждении отливки. Литейная усадка обычно составляет 0,6–3%. Усадка искажает геометрическую форму и может приводить к образованию усадочных трещин и раковин.
На машиностроительных предприятиях для изготовления фасонных отливок используют сплавы на основе черных и цветных металлов:
чугуны и литейные углеродистые и легированные стали;
алюминиевые сплавы с кремнием и др. элементами, чаще всего, силумины;
медные сплавы – латуни и бронзы;
магниевые сплавы с алюминием, цинком, марганцем и др. при производстве сверхлегких изделий.
Чугун имеет высокие литейные, антикоррозионные и антифрикционные свойства, сравнительно высокую прочность и наиболее низкую стоимость. В машиностроении широко применяются серый, высокопрочный, ковкий и легированный (специальный) чугун.
Стальные отливки обладают более высокой прочностью и вязкостью, чем отливки из чугуна. По литейным свойствам сталь уступает чугуну (она имеет бóльшую усадку, пониженную жидкотекучесть и т.п.). Некоторое улучшение литейных свойств достигается за счет повышенного содержания серы и фосфора – литейные стали.
Медные, алюминиевые и магниевые сплавы благодаря более низкой температуре плавления позволяют получать методом литья под давлением наиболее точные отливки, практически не нуждающиеся в дорогостоящей механической обработке.