Технология конструкционных материалов


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году





ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ



УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



Под редакцией В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина


Рекомендовано методическим советом Учебно-методического центра по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования



znanium.com

Москва

2018

ИНФРА-М

УДК 621(075.32)
ББК 34.4я723
      Т38


      Рецензенты:
        Ю.В. Максимов, доктор технических наук, профессор;
        А.Н. Бодров, кандидат технических наук, доцент, директор ГОУ СПО «Политехнический колледж № 31»;
        О.А. Быковец, руководитель отдела обеспечения стандартов и интеграции профессионального образования Учебно-методического центра по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы




Т38 Технология конструкционных материалов : учеб. пособие / В.Б. Арза-масов, А.А. Черепахин, В.А. Кузнецов, А.В. Шлыкова, В.В. Пыжов ; под ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2018. — 272 с. — (Среднее профессиональное образование).

         ISBN 978-5-00091-423-6 (ФОРУМ)
         ISBN 978-5-16-012461-2 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-105569-4 (ИНФРА-М, online)

         Рассмотрены современные и перспективные технологические способы получения и переработки конструкционных материалов, изготовления заготовок и деталей машин литьем, методами пластической деформации, сваркой, резанием и другие способы, применяемые в единичном, серийном и массовом производствах. При этом основной упор сделан на описание основных схем обработки, технологические особенности, технологические возможности способа и технологические требования, предъявляемые к заготовкам. Даны практические рекомендации по выбору способа и режима обработки.
         Учебное пособие рекомендуется для студентов машиностроительных специальностей.
УДК 621(075.32)
ББК 34.4я723









ISBN 978-5-00091-423-6 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-012461-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105569-4 (ИНФРА-М, online)

     © Коллектив авторов, 2008
     © ФОРУМ, 2008

                Предисловие






   Курс «Технология конструкционных материалов» — комплексная дисциплина, рассматривающая способы переработки материалов, начиная от получения заготовки и заканчивая готовым изделием. В книге рассмотрены распространенные в промышленности наиболее прогрессивные методы формообразования поверхностей деталей машин литьем, обработкой давлением, механической обработкой резанием и иными методами.
   В гл. 1 «Конструкционные материалы» приведена классификация современных конструкционных материалов. Рассмотрены разновидности, свойства и маркировка черных (стали и чугуны) и цветных (на основе титана, магния, алюминия, меди и никеля) сплавов; композиционных материалов с металлической и неметаллической матрицей; порошковых материалов.
   В гл. 2 «Основы металлургического производства» рассмотрены основные металлургические процессы и способы производства чугуна и стали; основные способы прямого восстановления железа; современные способы производства цветных металлов (меди, алюминия, магния и титана).
   В последующих главах («Основы литейного производства»; «Основы обработки металлов давлением»; «Основы сварочного производства»; «Обработка материалов резанием»; «Обработка поверхности поверхностным пластическим деформированием»; «Электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок»; «Изготовление изделий из порошковых и композиционных материалов») рассмотрены теоретические основы соответствующего метода переработки конструкционных материалов; основные способы переработки. Основные способы переработки рассмотрены по определенной схеме: теоретические основы способа; основные схемы реализации способа; применяемое технологическое оборудование, оснастка, инструмент и расходные материалы; технологические режимы и показатели способа; технологические требования, предъявляемые к заготовке.
   Учебное пособие создано коллективом преподавателей кафедры «Технология конструкционных материалов» МГТУ «Мос-

Предисловие


ковский автомеханический институт». Гл. 1 написана проф., д-ром техн. наук В. Б. Арзамасовым, гл. 2 и 3 — канд. техн. наук, доц. А. В. Шлыковой, гл. 4 — канд. техн. наук, доц. В. В. Пыжовым, гл. 5, 6 и 9 — канд. техн. наук, доц. А. А. Черепахиным, гл. 7 и 8 — проф., д-ром техн. наук В. А. Кузнецовым.
   Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов среднего профессионального образования по специальностям 1202, 1205, 1713, введенных в действие с 01.09.02.

Глава 1




                КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ






   Для изготовления деталей машин требуются материалы с различными свойствами, способные работать в разных условиях: высоких нагрузках, положительных и отрицательных внешних температурах, зачастую в агрессивных или абразивных средах. Правильный выбор материала детали при конструировании, выбор оптимальных способов технологической переработки (от заготовительных операций до механической обработки), поведение изделия в разных условиях эксплуатации определяются свойствами выбираемых материалов. Свойства конструкционных материалов зависят от их природы и внутреннего строения. Влияние химического состава материала на его внутреннее строение и свойства подробно рассматривается в курсе «Материаловедение».


1.1. Металлические конструкционные материалы

Черные металлы и сплавы

   К черным металлам и сплавам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Вследствие низких эксплуатационных свойств техническое железо в машиностроении не применяется. Сталь — многокомпонентный сплав с содержанием углерода до 2,14 %. Чугун — сплав с содержанием углерода более 2,14 %.
   Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению.
   По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3...0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С). стали
   Легированные стали в зависимости от введенных основных легирующих элементов бывают: хромистые, кобальтовые, мар

Глава 1. Конструкционные материалы

ганцовистые, хромоникелевые и др. В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов различают низколегированные (менее 5 %), среднелегированные (5...10 %) и высоколегированные (более 10 %) стали.
   По назначению стали подразделяют на конструкционные (менее 0,7 % С) и инструментальные (более 0,7 % С). В свою очередь, в зависимости от конкретного применения различают конструкционные стали общего и специального назначений, стали с особыми физическими или химическими свойствами, инструментальные стали для режущих и измерительных инструментов, жаростойкие и жаропрочные стали и многие другие.
   В России принята буквенно-числовая система маркировки сталей.
   Углеродистые качественные конструкционные стали имеют следующую маркировку: сталь а, где а — содержание углерода в сотых долях процента. Например: сталь 10 содержит 0,1 % С; сталь 45 — 0,45 % С. Углеродистые качественные инструментальные стали маркируются буквой «У» и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента. Например: сталь У8 содержит 0,8 % С; сталь У12 — 1,2 % С. Конструкционные легированные стали имеют следующую маркировку: сталь асЛiаi, где ас — содержание углерода в сотых долях процента; Лi — обозначение легирующего компонента (азот — А, алюминий — Ю, бор — Р, вольфрам — В, ванадий — Ф, кобальт — К, кремний — С, молибден — М, марганец — Г, медь — Д, никель — Н, редкоземельные металлы — Ч, селен — Е, титан — Т, фосфор — П, хром — X, цирконий — Ц); аi — содержание легирующего компонента в процентах (если после обозначения легирующего компонента число не стоит, то его содержание составляет примерно 1 %). В конце маркировки может стоять буквенное обозначение качества стали и обозначение метода повышения качества (А — высококачественная сталь, Ш — электрошлаковый переплав; ВД — вакуумно-дуговой переплав; ВИ — вакуумно-индукционная выплавка). Например: сталь 30Х3МФ — качественная сталь, 0,3 % С, 3 % Cr, 0,2...0,3 % Мо, 0,06...0,12 % V. Некоторые стали содержат дополнительную букву после слова «сталь», обозначающую ее группу или тип. Например: Ш — подшипниковая сталь (в этих сталях указываются десятые доли процента содержания легирующего компонента), А — автоматная сталь, св — сварочная сталь (уменьшенное содержание серы и фосфора).

1.1. Металлические конструкционные материалы

7

    Качественные углеродистые стали (ГОСТ 1050—88). По содержанию углерода разделяют на низкоуглеродистые (менее 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3...0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6...0,85 % С) стали.
    Низкоуглеродистые стали обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Сталь 05 — сталь 10 применяют для изготовления малонагруженных деталей, сталь 15...25 — для ответственных сварных конструкций и деталей, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность, но более низкую пластичность; лучше обрабатываются резанием. Сталь 30 — сталь 55 применяют для изготовления небольших деталей или для деталей, не требующих сквозной прокаливаемости. Высокоуглеродистые стали (сталь 60 — сталь 65) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругостью. Из них изготавливают детали, работающие при высоких статических и динамических нагрузках.
    Низколегированные конструкционные стали (ГОСТ 19282—73) — широко используют в авто-, тракторостроении. Стали легированные Cr, Cr—Mn, Cr—Si—Mn, Cr—Ni, Cr—Mo, Cr—W—V применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, шатунов, гильз цилиндров. Стали легированные Cr, Cr—Va, Cr—Ni, Cr—Mg, Cr—Mg—Ni обладают высокой твердостью и износоустойчивостью поверхностного слоя, высокой прочностью и вязкостью. Из этих сталей изготавливают кулачковые муфты, кулачки, зубчатые колеса, поршневые пальцы, втулки, коленчатые и распределительные валы. Автоматные стали (сталь А12 — сталь АС14ХГН) используют при обработке заготовок на металлорежущих станках с автоматическим циклом. Обычно, при точении сталей получатся сливная стружка в виде непрерывной ленты, которую трудно убирать при автоматическом цикле станка. В автоматных сталях присутствуют хрупкие включения MnS, вызывающие дробление стружки. Эти стали используют для изготовления метизов (болтов, гаек, шпилек, винтов), втулок.
    Подшипниковые стали (сталь ШХ6 — сталь ШХ15СГ) выпускают по ГОСТ 801—78* и используют для изготовления подшипников качения, храповых механизмов, роликов, пальцев машин.
    Рессорно-пружинные стали (легирование: Si, Si—Mn, Cr—Si, Cr—Mn, Cr—V, Cr—Mn—V, W—Si, Ni—Si), изготавливаемые по ГОСТу 801—78, имеют высокий предел упругости и предел выносливости. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры.

Глава 1. Конструкционные материалы

   В чугуне углерод находится в связанном и в свободном состоянии. Чугун обладает высокой твердостью, низким пределом прочности на растяжение. Наличие свободного графита обусловливает хорошие демпфирующие свойства чугунов. В машиностроении чаще всего применяют отливки из серого, высокопрочного и (реже) ковкого чугуна.
   Чугун, содержащий только связанный (в виде Fe₃C) углерод, называют белым (рис. 1.1, а). Белые чугуны обладают большой твердостью и хрупкостью, что не позволяет применять изделия из них в машиностроении.


Рис. 1.1. Разновидности чугунов: а — белый; б — серый; в — высокопрочный; г — ковкий

   Серый чугун содержит свободный углерод в виде пластинок (рис. 1.1, б). По ГОСТу 1412—85* серый чугун обозначается буквами СЧ и числом, показывающим уменьшенный в 10 раз предел прочности на растяжение в МПа, например, СЧ21 (ов = 210 МПа). Чугуны марок СЧ10 и СЧ15 обладают наименьшим пределом прочности на растяжение, их применяют для малоответственных деталей. Наибольшей прочностью обладает чугуны марок СЧ21—СЧ35. Их используют для изделий, работающих при высоких нагрузках или в условиях повышенного износа.
   Высокопрочный чугун содержит свободный углерод в виде шаровидных включений (рис. 1.1, в), которые значительно меньше ослабляют металлическую основу, чем пластинки. Поэтому этот чугун обладает большим пределом прочности на растяжение. По ГОСТу 7293—85* марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, в 10 раз меньшего значения его прочности (ВЧ 100, ов = 1000 МПа). Например: ВЧ 100 имеет ов = 1000 МПа. ГОСТ 7293—85* позволяет добавлять в маркировке показатель относительного удлинения. Например: ВЧ 70-2 имеет ов = 700 МПа,

1.1. Металлические конструкционные материалы

9

5 = 2 %. Высокопрочные чугуны применяют в машиностроении для ответственных изделий (корпуса подшипников, коленчатые валы, головки блоков цилиндров).
   Ковкий чугун содержит свободный хлопьевидный графит (рис. 1.1, г). Ковкий чугун получают длительным отжигом тонкостенных (до 50 мм) отливок из белого чугуна. Ковкий чугун не куют, но он достаточно пластичен и занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. По ГОСТу 1215—79 ковкий чугун обозначается двумя цифрами: пределом прочности на растяжение (МПа/10) и относительным удлинением (%), например КЧ 35-10 (ов=350 МПа, 5=10 %). В машиностроении ковкий чугун используют как заменитель стали при изготовлении зубчатых колес, звездочек, звеньев цепей.


Цветные металлы и сплавы

   Цветные металлы в чистом виде обычно применяют редко, чаще используют различные сплавы. Из числа сплавов цветных металлов в машиностроении наибольшее значение имеют легкие сплавы алюминия, магния и титана, а также медь и ее сплавы, сплавы на основе никеля, сплавы для подшипников (баббиты), материалы для полупроводников и высокопрочные сплавы на основе тугоплавких металлов.
   Сплавы на основе титана, цинка и магния относятся к группе специальных сплавов. Поэтому они имеют оригинальную буквенно-числовую маркировку. На первом месте ставят буквенное обозначение вида сплава (ВТ или ОТ — титановые, МЛ — магниевые литейные, МА — магниевые деформируемые, Ц — цинковые), на втором месте стоит порядковый номер сплава. Например: титановые сплавы ВТ5, ОТ4; магниевые сплавы МА10, МЛ12.
   Сплавы на основе меди и алюминия имеют двойственную маркировку — современную и традиционную. Современная маркировка похожа на маркировку легированных сталей: на первом месте стоит буквенное обозначение сплава (Л — латунь, Бр — бронза, Н — медно-никелевые сплавы, АЛ — алюминиевый литейный, АК или Д, или АВ, или В — алюминиевые деформируемые, Б — баббиты). Далее стоит буквенное обозначение легирующего компонента и его среднее процентное содержание. Легирующий компонент обозначается по первым буквам его русского

Глава 1. Конструкционные материалы

названия (А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, Мц — марганец, Н — никель, О — олово, С — свинец). Например: АМг6 — алюминиевый сплав, 6 % Mg. Техническая документация и техническая литература, изданная до 2002 г., в основном использует традиционную маркировку, поэтому в дальнейшем при рассмотрении алюминиевых и медных сплавов приведем традиционную маркировку.
   Титан — металл серого цвета, малой плотности, высокой удельной прочности и коррозионной стойкости. Он обладает низкой жаростойкостью и низкими антифрикционными свойствами. Низкий модуль упругости титана (в 2 раза ниже, чем железа) затрудняет изготовление из него жестких конструкций.
   Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном обладают более высокой прочностью при нормальных и повышенных температурах.
   Титановые сплавы применяют в авиастроении, автомобилестроении, ракетной технике, судостроении, в химической промышленности. Из титановых сплавов изготавливают обшивку сверхзвуковых самолетов, детали реактивных авиационных двигателей (диски и лопатки компрессоров), детали воздухозаборников, колесные диски, корпуса ракет второй и третьей ступеней, баллоны для сжатых и сжиженных газов, обшивку корпусов морских судов, подводных лодок и т. п.
   Магний — металл серебристого цвета, имеющий низкую плотность. Магний хорошо обрабатывается резанием, однако температура воспламенения магния на воздухе равна 623 °C, поэтому магний пожароопасен.
   Магниевые сплавы в горячем состоянии легко куются, прокатываются и обрабатываются резанием. К их недостаткам следует отнести следующие их свойства: низкая коррозионная стойкость; низкая температура вспышки на воздухе. Малая плотность и высокая удельная прочность магниевых сплавов определи их широкое применение: в авиационной промышленности (корпуса приборов, насосов, обтекатели, двери кабин); в ракетостроении (корпуса ракет, обтекатели, стабилизаторы, корпуса баков); в автомобилестроении (корпуса коробок скоростей, колесные диски); в приборостроении (корпуса приборов). Деформируемые магниевые сплавы также применяются для изготовления сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, детали грузоподъемных машин, ткацких станков). Высокопрочные литейные сплавы