Конструкционные материалы

    Фосфор, повышая твердость, прочность и  порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.

    Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.

    Конструкционные низколегированные стали.

    Низколегированными  называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое  количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.

    Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.

    Конструкционные цементуемые легированные стали.

    Для цементуемых изделий применяют  низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном  слое после термической обработки  вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления  хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

    Хромистые стали. Хром широко используется для  легирования стали. Хромистые стали  предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению  с углеродистыми обладают более  высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

    Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали  ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.

    Хромоникелевые  стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.

    Одновременное легирование хромом и никелем, который  растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

    Хромоникелевые  стали мало чувствительны к перегреву  при длительной цементации и не склонны  к пересыщению поверхностных  слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

    Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно  повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных  деталей.

    Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

    Хромомарганцевые  стали применяют во многих случаях  вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

    Хромомарганцевые  стали применяют в автомобильной  и тракторной промышленности, а также  в станкостроении.

    Хромомарганцевоникелевые  стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

    Стали, легированные бором. Бор увеличивает  прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.

    Конструкционные улучшаемые легированные стали.

    Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки  и высокого отпуска.

    Хромистые стали. Для средненагруженных деталей  небольших размеров применяют хромистые  стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются  пластичность и вязкость. Прокаливаемость  хромистых сталей невелика.

    Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

    Введение  бора увеличивает прокаливаемость  хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.

    Хромомарганцевые  стали. Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Введение титана обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву, а бора увеличивает прокаливаемость.

    Хромокремнемерганцевые  стали (хромансил). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

    Хромоникелевые  стали. Эти стали обладают высокой  прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

    Хромоникельмолибденовые стали. Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

    Хромоникельмолибденованадиевые  стали. Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют  ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.

    Недостатками  высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.

    Мартенситностареющие высокопрочные стали.

    Мартенситностареющие  стали представляют собой сплавы железа с никелем (8 – 20%), а часто  и с кобальтом. Для протекания процесса старения в мартенсите сплавы дополнительно легируют Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.

    Никель  и кобальт способствуют упрочнению при старении и одновременно повышают сопротивление хрупкому разрушению.

    Хром  упрочняет мартенсит сталей Fe – Ni – Ti и Fe – Ni – Al при старении повышает сопротивление коррозии.

    Мартенситностареющие  стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике.

3.2. Чугун.

    Сплавы  железа с углеродом (> 2,14%) называют чугуном. Различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

    Серый чугун представляет собой сплав Fe – Si – C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых  чугунов большая часть или  весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств углерода должно быть не менее 2,4%. Кремний оказывает большое влияние на строение, а следовательно и на свойства чугунов.

    В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают  несколько видов чугуна:

    1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита Fe3C.

    2. Половинчатый чугун; большая часть  углерода (свыше 0,8%) находится в  виде Fe3C.

    3. Перлитный серый чугун; 0,7 – 0,8% углерода находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита. 

    4. Ферритно–перлитный серый чугун. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% углерода.

    5. Ферритный серый чугун. В этом  случае весь чугун находится  в виде графита.

    Количество  марганца в чугуне не превышает 1,25 – 1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

    Сера  является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1 – 0,12%.

    Содержание  фосфора в сером чугуне приблизительно 0,2%, но иногда допускается даже 0,5%. При  повышенном содержании фосфора в  структуре чугуна образуются твердые  включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна, при этом увеличивая хрупкость отливок.

    Серые чугуны по их применению можно разделить  на группы:

    1. Ферритные и ферритно-перлитные  чугуны применяют для изготовления  малоответственных деталей, испытывающих  небольшие нагрузки в работе.

    2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.

    3. Антифрикционные чугуны применяют  для изготовления подшипников  скольжения, втулок и других деталей,  работающих при трении о металл.

    Белый и отбеленный чугун обладает высокой  твердостью и хрупкостью. Практически  не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверхности  обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д.

    Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный  чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых  щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний.

    Чугуны  с шаровидным графитом имеют более  высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, износостойкость  и т. д.

    Высокопрочные чугуны применяют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей.

    Ковкий  чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Ковкий чугун  имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге.

    Ковкий  чугун применяют главным образом  для изготовления тонкостенных деталей  в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей  большого сечения.

4. Пластмассы.

    Пластмассами называют искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.