БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, Кафедра инженерной графики
РЕФЕРАТ
На тему:
«Конструкционные материалы»
МИНСК, 2008
Требования к конструкционным материалам
Эксплуатационные требования, Технологические, Экономические
При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.
Черные металлы
К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.
Чугуны
Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.
В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава – на легированные и нелегированные.
Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.
В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.
Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.
Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.
Структура и свойства чугуна
... металлической основы снижается и механические свойства чугуна растут. Например, серый чугун (пластинчатая форма графита) имеет низкие характеристики механических свойств, так как пластинки включений графита играют роль концентратов напряжений в ... в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе 3 С или присутствовать в сплавах в виде графита. В ...
Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.).
Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).
Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ).
Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм 2 ) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет σut = 18 кгс/мм2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм2 ) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 – высокопрочный чугун с σut = = 600МПа и δ = 2%.
Стали
Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.
По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость).
В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.
В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.).
Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.
По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.
По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»).
Технология изготовления листовой электротехнической стали
... 28-34 град.С. Охлаждение валков – эмульсией с содержанием эмульсола 4-10%. Охлаждение валков должно начинаться одновременно ... охлаждения и отделки металла. Принимаемые на заводах черной металлургии меры по повышению качества стали по чистоте от ... свойствами является основным видом продукции в производстве прецизионных сплавов, широко применяемым в приборостроении и т.д. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ...
Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
углеродистой стали обыкновенного качества
Степень раскисления, Углеродистые качественные стали, Углеродистые инструментальные стали, Легированными
а б в г
Цветные металлы и сплавы
Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.
Медь и ее сплавы
Медь в чистом виде характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах – иные элементы.
Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А – алюминий, Н – никель, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, К – кремний, Ф – фосфор, Т – титан.
Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец).
В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие – легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное – цинк.
Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.
Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.
Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л – для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.
Современное оборудование зуботехнической лаборатории изготовления ...
... сплавов благородных металлов, в нижний -- различные отходы: гипса, пластмассы и др. Основными инструментами, которые использует при работе зубной техник, являются: зуботехнический ... кусачки и разновидности щипцов для изготовления деталей ортодонтических аппаратов и приспособлений). Кроме ... после полимеризации, гипсуют металлические детали, подлежащие спайке. Оборудование состоит из гипсовочной ...
Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.
Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.
Алюминий и его сплавы
Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.
Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Первые называют дуралюминами (марки Д1, Д16), из вторых наиболее часто применяется сплав марки АМг6. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).
Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности σ ut и текучести σу ).
Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав).
САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al2 O3 , образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al2 O3 (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4).
Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.
Из литейных алюминиевых сплавов наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.
Алюминий и его сплавы трудно паяются.
Пластмассы , Пластмассами
Полимером служат различные смолы, которые в период формирования деталей находятся в вязкотекучем (жидком) или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии.
Сплавы на основе алюминия
... некоторые алюминиевые сплавы ( = 23 км) приближаются или соответствуют высокопрочным сталям ( = 27 км). Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость. Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превосходят магниевые сплавы по ...
Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители могут быть в газовой (пенопласты) и твердой фазе, иметь органическое (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганическое (графитная, асбестовая и кварцевая мука; углеродное и стекловолокно; стеклоткань) происхождение. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми, длиной 2 … 4 мм, наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяют теплопроводящие наполнители, например графит.
Пластификаторы увеличивают текучесть, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. Отвердители ускоряют процесс затвердевания пластмасс, красители придают пластмассам нужный цвет.
Термопласты, Термореактивные
Пластмассы являются хорошими электроизоляционными материалами. Для них характерна высокая химическая и коррозионная стойкость, малая плотность и теплостойкость. Они отличаются достаточной прочностью и упругостью. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют блестящую гладкую поверхность разных цветов. Пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным нагрузкам; они подвержены тепловому, световому и атмосферному старению – процессу самопроизвольного необратимого изменения свойств; многие из пластмасс гигроскопичны.
Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Изготовление металлических деталей осуществляется за десятки операций механической обработки, а пластмассовых – часто за одну технологическую операцию по формообразованию (прессование, выдавливание, литье под давлением и др.).
Поэтому трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5 … 6 раз и более, а себестоимость продукции снижается в 2 … 3 раза, при этом получают очень высокий коэффициент использования материала, равный 0,9 … 0,95. Это приводит к значительному снижению материалоемкости и из-за малой плотности пластмасс (1,2 … 1,9 Мг/м 3 ), к уменьшению массы конструкции в 4 … 5 раз.
Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия.
Виды термической и химико-термической обработки стали , Термической обработкой
При термической обработке (рис. 2) проводят нагрев детали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с определенной скоростью. Наиболее широко применяются следующие виды термической и химико-термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение и насыщение поверхностного слоя детали различными элементами.
При изготовлении деталей с использованием литья, сварки и горячей обработки давлением из-за разной скорости охлаждения элементов детали возникают значительные остаточные напряжения. Они могут вызвать искажение формы и размеров детали при последующей механической обработке, эксплуатации или хранении на складе.
Термическая обработка чугунов
... о С) Термическая обработка чугунов. Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают ... чугуны. белый чугун серый чугун высокопрочный ковкий чугун чугун Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде цементита. В зависимости от содержания углерода белые чугуны делят на ... чем ниже температура, тем скорость охлаждения, необходимая для ...
Рис. 2
Отжиг заключается в нагреве выше критических температур, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении, обычно вместе с печью. Цели отжига – снизить твердость материала для повышения обрабатываемости, измельчить зерно, снять внутренние напряжения. При нагреве детали предел текучести σ0,2 снижается и когда он становится меньше остаточных напряжений, происходит быстрая их разрядка путем пластического течения металла.
Нормализацию
Закалку проводят с целью повышения прочности и твердости деталей, ее можно применять для сталей, содержащих не менее 0,3% углерода. Закалка состоит из нагрева до температур фазовых превращений, выдержки и быстрого охлаждения в воде или масле. В процессе нагрева и охлаждения внутренние напряжения изменяются. Так, при нагреве поверхностные слои детали испытывают напряжения сжатия, так как стремятся расшириться, а этому препятствуют более холодные слои сердцевины. При охлаждении поверхностные слои, имеющие более низкую температуру, чем сердцевина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевина – напряжения сжатия. Закаленная сталь всегда находится в структурно-напряженном состоянии.
Для снятия остаточных внутренних напряжений после закалки, повышения пластичности при сохранении достаточно высоких прочностных характеристик проводят отпуск . В зависимости от температуры нагрева, определяемой требуемыми свойствами детали, различают высокий (500 … 650 °С), средний (350 … 450 °С) и низкий (150 … 200 °С) отпуск.
Старение проводят для стабилизации размеров и свойств деталей после сварки, литья или термообработки. Оно заключается в длительном выдерживании при комнатной или небольшой повышенной температуре. Старению подвергают детали типа корпусов, рам.
цементацию и последующую закалку с низким отпуском
Чтобы увеличить износостойкость и коррозионную стойкость детали, проводят насыщение ее поверхности при повышенных температурах азотом (азотирование), бором (борирование), углеродом и азотом (цианирование), хромом (хромирование), цинком (цинкование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование) и другими элементами в твердых, жидких и газообразных средах.
ЛИТЕРАТУРА
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/konstruktivnyie-materialyi/
1 Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: – Высш. шк., 2001. – 480 с. 2001
2 Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с. 2004
3 Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1999. – 415 с.
1999
