В результате обработки давлением зерна кристаллов частично раздробляются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла, что вызывает его упрочнение. Превышение напряжений пластической деформации приводит к возникновению трещин, то есть приводит к разрушению металла. Следовательно, в обработке давлением важно знать условия деформирования, при которых происходит пластическая деформация и при которых наступает разрушение.
Способность металлов и сплавов к сварке.
Свариваемостью металла называют совокупность его технологических свойств, определяющих способность обеспечить при принятом технологическом процессе экономичное, надежное в эксплуатации сварное соединение. Соединение считают качественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к характеристикам основного металла и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения, раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного металла.
Свариваемость – это сложная характеристика, определяемая не только свойствами свариваемого металла, но и выбором технологического процесса, режимом сварки, свойствами применяемых сварочных материалов. Поэтому нет единого вида испытания на свариваемость, а следует применять несколько видов для определения различных характеристик. Число и вид испытаний обусловлен свойствами материала, назначением конструкции и условиями ее работы. Чаще всего признаком плохой свариваемости является наличие в сварном соединении отдельных дефектов. Дефектом является существенная разница свойств основного металла сварного шва и зоны термического влияния. При сварке заготовок из углеродистых и легированных сталей твердость зоны термического влияния возрастает, в то время как пластические свойства значительно снижаются, что повышает хрупкость.
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Способность металлов и сплавов к обработке резанием.
Обработка резанием является одной из наиболее часто применяемых операций машиностроения, без которой не обходится изготовления ни одной детали. Способность металлов и сплавов к обработке резанием определяется химическим составом и видом термической обработки. Для обработки резанием наиболее часто применяют автоматные стали А12, А20, А40, имеющие повышенное содержание серы (от 0,08 до 0,3 %), фосфора (<=0,05 %) и марганца (от 0,7 до 1,0 %). Сталь 40Г содержит от 1,2 до 1,55 % Mn.
Фосфор, повышая твердость, прочность и охрупчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности. Такие стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости. Поэтому сернистые автоматные стали применяют лишь для изготовления неответственных изделий – преимущественно нормалей или метизов.
1.2 Сплавы на основе черных металлов
Железоуглеродистые сплавы, в основном, классифицируют по содержанию углерода. По этому признаку их подразделяют на стали содержащие углерода менее 2,14 % и чугуны – углерода более 2,14 %.
1.2.1 Стали
Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали изготавливают из конструкционной углеродистой или легированной стали. По назначению стали бывают конструкционные, инструментальные и специальные.
По качеству все стали подразделяют по содержанию серы и фосфора на обыкновенные (до 0,05 % S и 0,04 % Р), качественные (не более 0,04 % S и 0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и 0,025 % Р) и особовысококачественные (не более 0,015 % S и 0,025 % Р).
На качество и свойства стали существенное влияние оказывают постоянные примеси, которые бывают постоянные, скрытые и случайные.
Постоянные примеси – Mn (от 0,3 до 0,7 %), Si (от 0,2 до 0,4 %), S и P (до 0,03 %);
Скрытые – O
2
2
Случайные – Ni, Cr (от месторождения).
Углерод – его увеличением повышается твердость и прочность, уменьшается пластичность и вязкость.
Mn и Si – полезные примеси и их добавляют при раскисании.
Сера и фосфор – повышают хрупкость, причем сера повышает хрупкость при нагреве (красноломкость), а фосфор вызывает хладоломкость.
Газы (O
2
2
Углеродистые стали (состав в масс. процентах: от 0,12 до 0,6 С; от 0,2 до 0,5 Si; от 0,5 до 0,8 Мп; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механические свойства, чем серый и ковкий чугуны. Их применяют для изготовления различных цилиндров, станин прокатных станов, зубчатых колес и других изделий. Качественная углеродистая конструкционная сталь обозначается сотыми долями процента углерода, например, сталь 35 содержит примерно 0,35 % углерода.
Легированные стали отличаются от углеродистых составом легирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высокую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специальные свойства. Легированная конструкционная сталь обозначается буквенно-цифровым индексом, например, сталь марки 45ХН2А. Цифра 45 – сотые доли процента углерода, буквы – обозначение легирующих элементов Х – хром, Н – никель, цифра 2-процентное содержание элемента в легированной стали, никеля – примерно 2 %, отсутствие цифры после буквы указывает, что количество легирующего элемента (хрома) ~1 %, обозначение других легирующих элементов Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, М – молибден, Ф – ванадий, Б – ниобий, Р – бор, К – кобальт. Значение буквы А в маркировке стали зависит от места ее написания. В начале шифра она обозначает автоматную сталь, в середине шифра – количество азота в сплаве, в конце шифра – высококачественную сталь. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.
Инструментальные стали бывают углеродистые, обозначают от У 7 до У 13 (цифры означают десятые доли процента углерода в сплаве) и легированные, например, 9ХС, ШХ9, ШХ15 и стали карбидного класса Х12М, Х6ВФ, в том числе и быстрорежущие (рапид) Р6М5 и Р18 (цифра после Р – процентное содержание вольфрама в сплаве).
1.2.2 Чугуны
Статически нагруженные детали преимущественно изготавливают из чугуна, так как он дешевле стали. В зависимости от состояния углерода в сплаве чугуны подразделяют на белые, серые, высокопрочные и ковкие.
Белые чугуны – в них весь углерод связан с железом в виде цементита.
Подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из–за большого количества цементита эти чугуны твердые и хрупкие и для изготовления деталей машин практически не используются.
В серых чугунах углерод частично представлен в виде пластинчатого графита (рисунок 3). Приняты следующие его марки: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 25, СЧ 35 (цифры показывают временное сопротивление при растяжении (МПа), уменьшенное в 10 раз).
а – серого; б – высокопрочного; в – ковкого
1 – пластинчатый графит; 2 – шаровидный графит; 3 – хлопьевидный графит; 4 – феррит; 5 – перлит
Рисунок 3 – Схемы микроструктур чугуна
Серый чугун (состав в %: от 2,8 до 3,5 С; от 1,8 до 2,5 Si; от 0,5 до 0,8 Мп; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Из серого чугуна изготовляют детали с повышенной прочностью, работающие при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа (станины станков, корпуса редукторов, шкивы и др. отливки).
Высокопрочный чугун (состав в масс. процентах: от 3,2 до 3,6 С; от 1,6 до 2,9 Si; от 0,4 до 0,9 Мп; не более 0,15 Р; не более 0,02 S; не менее 0,04 Мg) обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатывается. Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или церием, при которой графит принимает шаровидную форму (рисунок 3 б).
В ковких чугунах (КЧ 30-6, КЧ 35-8, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 60-3 и КЧ 80-1,5) графит имеет хлопьевидную форму. Первая цифра, как и в других чугунах, указывают уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления при растяжении (МПа), а вторая – значение относительного удлинения в процентах. Ковкий чугун (состав в масс. процентах: от 2,4 до 2,8 С; от 0,8 до 1,4 Si; менее 1 Мп; примерно 0,2 Р и 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe
3
1.3 Сплавы на основе цветных металлов
Цветные металлы подразделяют на тяжелые (Cu, Pb, Sn, Ni и др.), легкие (Al, Mg и др.), редкие (W, Md), благородные (Ag, Au, Pt).
Цветные металлы обладают многими ценными свойствами, которые определяют применение их в промышленности. Однако, вследствие большой трудоемкости при их получении и высокой стоимости, объем их потребления в машиностроении незначителен и по возможности их стараются заменить черными металлами, пластмассами и синтетическими материалами.
Из сплавов цветных металлов наибольшее применение имеют алюминий и его сплавы, медь и медные сплавы.
Алюминий – металл серебристо-белого цвета с температурдй плавления 600 °С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7 г/см
3
3
3
Алюминий и его сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, их легко обрабатывать. Наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (силумины), которые обладают повышенной коррозионной стойкостью хорошей свариваемостью.
Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, AlCu-Mg и другие. Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов, поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.
Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.
Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.
Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94.10
3
3
Медь хорошо сопротивляется коррозии, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием. Имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки.
Медь и ее сплавы (бронзы и латуни) имеют высокую коррозионную стойкость, сравнительно высокие механические и антифрикционные свойства, хорошую обрабатываемость. Для изготовления отливок применяют оловянные и безоловянные бронзы и латуни. Безоловянные бронзы используют как заменители оловянных бронз.
Различают две основные группы медных сплавов:
– латуни – сплавы меди с цинком;
– бронзы – сплавы меди с другими элементами.
Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и износу.
Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.
Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплоотводность применяют латуни с высоким содержанием меди (Л60 и Л90). Латуни Л62, Л60,Л59 с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии.
Латунь ЛЦ4 °C – σ
в
Бронзами называют сплавы меди с алюминием, оловом, свинцом, кремнием, цинком и другими элементами, где цинк не является основным легирующим элементом.
Наилучшими свойствами обладают оловянистые бронзы БрОЦ4-3, БрОЦ10-2, которые вследствие дефицитности и дороговизны легирующих элементов заменяются менее дорогими марками сплавов.
Литые оловяннистые бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства, малую объемную усадку и хорошую жидкотекучесть.
По коррозионным, механическим и антифрикционным свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянистые. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес и др. Алюминиевые, магниевые и медные сплавы широко применяют в приборостроении.
Алюминиевые бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. Широкое применение получили в промышленности алюминиевые бронзы: БрАЖ9-2, БрАЖМц10-3-1,5 (А-алюминий, Ж – железо, Мц – марганец). Они обладают высокими антикоррозионными и механическими свойствами, хорошей износостойкостью и применяются при изготовлении втулок, арматуры для судостроения, ответственных деталей.
Оловянные бронзы. Обладают хорошими литейными свойствами и применяются для литья деталей сложной формы. Недостатком отливок из оловянных бронз является большая микропористость.
1.4 Неметаллические материалы
Основным направлением научно-технического прогресса, определяющим перспективы долгосрочного развития экономики, является производство синтетических материалов с заранее заданными свойствами. Многие из существующих промышленных материалов уже не могут удовлетворять запросы многих отраслей промышленности.
В машиностроении относительно небольшое применение по сравнению с металлами и сплавами находят различные материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, композиционные материалы, керамика, клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий, доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается. Из неметаллических материалов наибольшее применение находят пластмассы.
1.4.1 Пластмассы
Пластмассы представляют собой многокомпонентные материалы. Они состоят из связующего вещества, наполнителя, пластификатора, красителя, смазывающего вещества, катализатора, ингибитора и других добавок.
Каждый из видов пластмасс имеет какие то особое свойство, такие как хорошую удельную прочность, фрикционность, прозрачность, электро- и теплоизоляционность, химическую стойкость в окружающей атмосфере и агрессивных средах и т. д. Благодаря особым свойствам, в ряде случаев полимеры успешно конкурируют с металлами.
В настоящее время ежегодно производится более 50 млн. тонн пластмасс, а применение одной тонны изделий из пластмасс сберегает до пяти тонн стали или до трех тонн цветных металлов, снижая при этом трудоемкость производства до восьми раз, к тому же детали из пластмасс отличаются высоким коэффициентом использования материала КИМ (до 95 %).
Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Высокомолекулярные соединения состоят из большего числа низкомолекулярных соединений (мономеров), связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами.