Конструкционные материалы

    Медь  легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие  литейные свойства из-за небольшой  усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

2.1 Классификация медных  сплавов.

    Различают две основные группы медных сплавов:

    1. Латуни - сплавы меди с цинком.

    2. Бронзы – сплавы меди с другими  элементами, в числе которых, но  только наряду с другими, может быть цинк.

    Медные  сплавы обладают высокими механическими  и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

2.2 Латуни.

    Латунями  называют двойные или многокомпонентные  сплавы на основе меди, в которых  основным легирующим элементом является цинк.

    Двойные латуни нередко легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Такие  латуни называют специальными или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме  никеля) уменьшает растворимость  цинка в меди. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. Легирующие элементы увеличивают прочность, но уменьшают пластичность латуни.

    Свинец  облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn и Ni.

    Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20% Zn склонны к коррозийному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода, аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250 - 650ºС, а изделия из латуни – при 250 - 270ºС.

    Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные – для фасонного литья.

    Литейные  латуни обладают хорошей текучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

    Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно  отсутствие склонности к коррозийному растрескиванию, применяют латуни с высоким содержанием меди. Латуни с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, но хуже сопротивляются коррозии.

    Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, получившие название морских латуней.

    Латуни, предназначенные для фасонного  литья, от которых требуется повышенная прочность, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются лучшей коррозийной стойкостью.

2.3. Бронзы .

    Оловянные бронзы – это сплавы состава Cu – Sn. Максимальное содержание олова в  таких сплавах 10 – 12%. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации (образованию рассеянной пористости); при ускоренном охлаждении у них резко выраженное дендритное строение.

    Предел  прочности возрастает с увеличением  содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в  структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое  соединение Cu31Sn8, предел прочности резко  снижается.

    Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы. Фосфор при содержании его свыше 0,3% образует Cu3P. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозийную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но облегчает обработку резанием и антифрикционные свойства.

    Различают деформируемые и литейные оловянные  бронзы. Деформируемые бронзы изготовляют  в виде прутков, лент и проволоки  в нагартованном и отожженном состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются  для пружин и пружинных деталей. Литейные бронзы содержат большое количество цинка, фосфора и нередко свинца.

    Оловянные бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой  коррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами. Для облегчения обработки  давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700 - 750ºС с последующим быстрым охлаждением.

    Безоловянные  бронзы. Безоловянные бронзы представляют собой сплавы меди с Al, Ni, Si, Fe, Be, Cr, Pb и другими элементами.

    Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные Ni, Mn, Fe и другими. Эти бронзы используют для различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестерен и других небольших ответственных деталей. Сплавы, содержащие до 4 – 5 % Al, обладают высокой пластичностью и прочностью. Бронзы, содержащие более 9% Al, имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ниже. При содержании свыше 10 – 12% Al уменьшается уже и прочность сплавов. Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость как при низких, так и высоких температурах.

    Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства; бронзы легко обрабатываются давлением в горячем состоянии. Вследствие хороших литейных свойств из них можно изготовлять разнообразные отливки. Однако в них наблюдается значительная усадка и газопоглощение.

    Кремнистые  бронзы. При легировании меди кремнием повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозийные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются, обладают высокими механическими свойствами, упругостью и коррозийной стойкостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных температурах, в агрессивных средах.

    Бериллиевые бронзы относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой. После закалки бронза обладает прочностью, высокой пластичностью и способности упрочняться при отпуске как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Отпуск проводят при 300 - 350ºС.

    Наряду  с высокими пределом прочности, текучести  и упругости бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием.

    Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. При 953ºС происходит монотектическое  превращение и при 327ºС эвтектическое. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом, поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства.

    Такая структура бронзы обеспечивает высокие  антифрикционные свойства. Свинцовые бронзы используют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.

    Нередко свинцовые бронзы легируют никелем  и оловом, которые, растворяясь в  меди, повышают механические и коррозийные свойства. Свинцовые бронзы с добавкой олова и никеля, обладающие высокими механическими свойствами, используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников без стальной основы.

3. Сплавы на основе  железа.

    Чистое  железо – металл серебристо – белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539ºС. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.

    Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью; сплавы содержащие более 2,14% углерода – чугуном. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными  свойствами, в частности, более низкими  температурами плавления, и имеют  меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики.

3.1.Сталь

    Является  многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или  неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).

    Конструкционные стали и сплавы.

    Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.

    Конструкционная сталь должна иметь и хорошие  технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

    Углеродистые  конструкционные стали.

    Углеродистые  конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.

    Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а  затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.

    Кипящие стали. К этому виду относятся  стали, полностью нераскисленные и  содержащие поэтому до затвердевания  повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.

    Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.

    Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое  применение. В процессе выплавки они  по сравнению с качественными  сталями меньше очищаются от вредных  примесей и содержат больше серы и фосфора.

    Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный  рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы  и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

    Качественные  углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в  мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

    Низкоуглеродистые качественные стали используют и  для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали  углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.

    Среднеуглеродистые  стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки  для самых разнообразных деталей  во всех отраслях машиностроения. Эти  стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.

    Высокоуглеродистые  стали обладают более высокой  прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки  и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.

    Автоматные  стали.

    Автоматные  стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.