Лекція 1.4 Поняття про леговані сталі та кольорові метали, їх класифікація, склад, будова, властивості, застосування

Мета: Ознайомити студентів із класифікацією, позначеннями і застосуванням легованих сталей, впливом легуючих елементів на структуру, властивості та фазові перетворення в сталі. Класифікація кольорових металів та їх сплавів, будова, властивості, позначення і застосування.

1 Поняття про леговану сталь.

2 Розподіл легуючих елементів у сталях.

3 Вплив легуючих елементів на властивості сталей.

4 Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі.

5 Класифікація легованих сталей.

6 Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування.

7 Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування.

8 Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування.

9 Переваги і недоліки легованих сталей.

10 Класифікація кольорових металів.

11 Властивості і застосування міді.

12 Характеристика сплавів на основі міді.

13 Властивості і застосування алюмінію.

14 Характеристика сплавів на основі алюмінію.

15 Титан і характеристика сплавів на основі титану.

16 Характеристика сплавів на основі магнію.

Рекомендована література

[1. с. 403 –434, 434 – 443, 478 – 524; 3. с. 192– 210, 221 – 238; 4. с. 85 – 129; 5. с. 105 – 111, 267 – 294; 6. с. 108 – 124, 124 – 132 ]

Поняття про леговану сталь. Низка механічних властивостей як міцність, в’язкість, жаро- та холодостійкість вуглецевих сталей у багатьох випадках не задовольняють умови роботи деталей машин в машинобудуванні та інструментального виробництва.

Покращити властивості сталей можна шляхом введення в них легуючих елементів. Такі сталі називають легованими.

Розподіл легуючих елементів у сталях. Для легування сталі застосовують наступні елементи, які позначають відповідними буквами: Х – хром, Н – нікель, Г – марганець, С – кремній, В – вольфрам, М – молібден, Ф – ванадій, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюміній, Д – мідь, П – фосфор та ін.

Якщо в сталь ввести один легуючий елемент, то сталь називають по цьому елементу, таку сталь називають потрійною, бо вона містить залізо, вуглець і легуючий елемент. Із потрійних сталей застосовують хромисту, марганцеву та кремнієву. При наявності в сталі двох і більше легуючих елементів утворюється складнолегована сталь (хромонікелева, хромокремнієстованадієва та ін.). Хром, кремній і марганець присутні у більшості легованих сталей.

За сумарним масовим вмістом легуючих елементів можуть бути низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5...10 %) та високолеговані (більше 10 %) сталі.

Класифікація легованих сталей. Леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та зі спеціальними фізичними властивостями. До конструкційних легованих сталей належать сталі, які застосовуються для виготовлення цементуючих та покращених термообробкою деталей машин, пружин, шарикопідшипників, жароміцні, зносо- та корозійностійкі сталі. Ці сталі легуються різними елементами: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, Al і ін.

До інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю. Тому їх легують в основному елементами, що утворюють карбіди – Cr, W, V, Mo та ін.

До сталей зі спеціальними властивостями належать магнітні матеріали з високим електричним опором, з заданим коефіцієнтом лінійного розширення, з особливими пружними властивостями. В цих матеріалах переважно значний вміст Ni, Cr, Co і ін.

Вплив легуючих елементів на властивості сталей. Різні легуючі елементи по різному впливають на властивості сталей. Так, скажімо, легування сталі нікелем підвищує його прожарюваність (прогартованість), цьому ж сприяє і домішки марганцю, молібдену, хрому, бора. Нікель до того ж підвищує в’язкість і пластичність сталі, знижує температуру порогу холодноламкості. Або, наприклад, домішки алюмінію затримують ріст зерен аустеніту, молібден і вольфрам підвищують стійкість сталі до відпускання тощо.

Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі. Введення більшості легуючих елементів визначає підвищення точок початку і кінця кристалізації, що забезпечую можливість підвищення температури нагрівання легованої сталі для загартування. Леговані сталі мають меншу теплопровідність і потребують біль тривалої витримки для фазових перетворень. Багато легуючих елементів підвищують стійкість мартенситу проти відпускання, тому для досягнення потрібної міцності леговані сталі при відпусканні нагрівають до більш високих температур, ніж вуглецеві.

Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування. Конструкційні низьколеговані сталі загального призначення містять 1,5 – 2,5 % легуючих елементів, які визначають покращення механічних властивостей сталі порівняно з вуглецевими.

Для важких умов тривалих і вібраційних навантажень рекомендовані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, термооброблена сталь 10Г2С; для конструкцій без динамічних навантажень – 14Г2, 14Г2АФ, для труб великого діаметра газогонів – 17ГС, 14Г2САФ ін.

Низьколеговані сталі широко використовуються в авто- та суднобудуванні.

Конструкційні сталі виробляють покращеними (термооброблені), цементуючими (з підвищеними твердістю та зносостійкістю поверхневого шару), автоматними (з добрими властивостями при механічній обробці).

Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування. Як уже зазначалося до інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю.

Для ударно-штампувального інструмента використовують високолеговану хромисту сталь, наприклад, марок Х12 (2,0...2,2 % С і 11,5...13,0 % Cr), Х12ВМ і ін. Для різального інструменту використовують: різці, свердла, фрези – сталь 9ХС, для мітчиків, свердел, розверток – ХВГ, 9Х5ВФ, для різання твердих матеріалів – ХВ5.

Швидкорізальна сталь – це високолегована сталь, що володіє червоностійкістю, тобто не втрачає твердість при нагріванні до 600-640 ^оС. До таких сталей належать сталі марок Р18, Р12, Р5М5, Р14Ф4, Р9К10 та ін. Зокрема, різання конструкційних матеріалів використовують сталі Р9, Р12, Р18; для різьбонарізних інструментів – Р6М5; для обробки в’язких матеріалів – Р18К5Ф2 та ін.

Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування. Сталі спеціального призначення (шарикопідшипникові, високоміцні та зносостійкі, корозійностійкі, жаростійкі т ін.) виготовляють введенням різного сполучення легуючих елементів та виконанням відповідної термічної обробки.

Заслуговують на увагу сталі з особливими властивостями, зокрема, магнітном’які сталі. З них виготовляють осердя трансформаторів, полюсів електромагнітів, реле та роторів електродвигунів.

Магнітнотверді сталі марок ЕХ3, ЕХ5К5, а також У8 та У10 застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Нікелеві сплави (ніхроми) марки Х20Н80 (20 % Cr, 80 % Ni) мають значний питомий опір і використовуються для виготовлення електропечей та побутових нагрівачів.

Для виготовлення деталей приладів з незалежними розмірами від температури використовують залізонікелеві сплави, наприклад, 18ХТФ.

Класифікація кольорових металів. Кольорові метали, як правило, мають характерне забарвлення (червоне, жовте, біле), велику пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються на такі групи: легкі, важкі, благородні та рідкі.

До легких металів з густиною менше 5,0 г/см³ належать: магній (1,68 г/см³), берилій (1,8 г/см³ ), алюміній (2,7 г/см³), титан (4,5 г/см³ ), літій (0,543 г/см³), калій (0,862 г/см³), натрій (0,971 г/см³), кальцій (1,54 г/см³) та ін. На практиці ці метали (за винятком алюмінію) застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.

До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см³, зокрема: свинець (11,3 г/см³), вісмут (9,84 г/см³), мідь (8,9 г/см³), олово (7,29 г/см³), хром (7,14 г/см³), цинк (7,1 г/см³), сурма (6,62 г/см³), та ін.

Властивості і застосування міді. Один з найпоширеніших кольорових металів цієї групи – мідь. Це червоно-рожевий мономорфний метал з питомою густиною γ = 8,96 г/см³ і температурою плавлення t _пл. = 1083 °С, який має високу електричну провідність, тому він широко застосовується в електротехніці. У відпаленому стані мідь має міцність σ_в ≈ 250 МПа, твердість НВ ≈ 45, значну пластичність (δ ≈ 50%). Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють, листи, прутки, дріт.

Характеристика сплавів на основі міді. Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.).

У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn). Для підвищення міцності та корозійної стійкості, покращення технологічних властивостей в склад латуней вводять Ni, Pb, Sn, Si та інші елементи. З латуні виготовляють листи, прокат, труби, сильфони, втулки тощо.

Легуючі елементи (Sn, Al, Mn, Fe, Si), що входять до складу складних латуней, змінюють їх структуру і властивості, а латуні відповідно називаються олов’янистими, алюмінієвими, марганцевистими, свинцевистими, кремнієвистими або алюмінієвозалізомарганцевистими тощо.

Бронза – це сплав міді з усіма елементами (оловом, алюмінієм, берилієм та ін.), крім цинку. Вона має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості, корозійну стійкість в прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температур. Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у по­єднанні з достатньою значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво. Однофазні бронзи добре оброблюються тиском, двохфазні бронзи володіють добрими ливарними властивостями. Бронзи, в залежності від вмісту легуючих елементів, виготовляють олов’яними (4...14 % Sn), алюмінієвими (5...11 % Al), кремнієвими (1...4 % Si), свинцевими (25...30 % Pb), берилієвими (до 3 % Ве).

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 0ЦС8-4-3 (8 % Sn, 4 % Zn, 3% Pb, решта – мідь).

Властивості і застосування алюмінію. Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору (γ = 2,7 г/см³, t_пл.≈ 660 ºС), має високі електро- та теплопровідність, малу густину. У відпаленому стані має міцність σ_в=80...100 МПа невисоку твердість (НВ ≈ 25...30) та достатню пластичність (δ ≈ 45 %) Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці, як провідни­кового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні. Для легування алюмінію застосовують Cu, Si, Mg, Mn, Zn, рідше – Ni, Ti, Cr та ін.

Характеристика сплавів на основі алюмінію. За технологічною ознакою алюмінієві сплави поділяються на де­формовані та ливарні. Серед деформованих відрізняють такі, що зміцню­ються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).

Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав, системи Al-Cu-Mg з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Дюралюміній часто застосовується в літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною.

Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідинотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю. Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви озна­чають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів, фасонне литво тощо.

Досить широко розповсюджені також сплави на основі олова та свинцю – бабіти. Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними та призначаються для виготовлення підшипників ковзання. Бабіти маркуються буквою "Б" і цифрами, що вказують процентний вміст олова у сплаві (наприклад, Б88, Б83 та ін.). Вони відрізняються гарною припрацьованістю та невеликим коефіцієнтом тертя. Як антифрикційні матеріали використовуються також чавуни, олов'янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.

Титан і характеристика сплавів на основі титану. Титан – метал стального кольору з температурою плавлення t_пл.≈ 1665 ºС і питомою густиною γ = 4,5 г/см³, володіє міцністю σ_в = 250 МПа, відносним видовженням δ ≈ 20...30 %, твердістю НВ ≈ 100...140, високою корозійною стійкістю. Покращення механічних властивостей досягається легуванням деякими елементами: Al, Cr, Mo, Nb,V, Zr, Sn та ін.

Завдяки малій густині, високій міцності та корозійній стійкості титан та його сплави знаходять широке застосування в суднобудуванні, авіаційній та хімічній промисловості.

Характеристика сплавів на основі магнію. Магній – сріблясто-білий метал з температурою плавлення t_пл.= 651 ºС та питомою густиною γ = 1,74 г/см³ (найменшою серед конструкційних матеріалів). Магній в чистому вигляді, як конструкційний матеріал, не використовується. В техніці використовують сплави магнію з Al, Mn, Zn, Zr та ін., які мають покращені властивості порівняно з чистим магнієм. Сплави магнію, наприклад МА8, мають добру рідкотекучість і володіють міцністю в межах 200...350 МПа.

2-й змістовий модуль: Технологія конструкційних матеріалів

Дата добавления: 2014-01-07