Машиностроительные материалы и термическая обработка

Расчет и проектирование деталей машин начинается с выбора материала и назначения термической обработки. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, а также медные, алюминиевые, магниевые, титановые и другие сплавы, композиты и пластические массы.

Стали — сплав железа с углеродом (до 2%) и другими металлами, поддающийся ковке. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются механически, термически и химико-термически.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали наиболее распространены в промышленности, их доля составляет примерно 80% от общего объема выплавки. Углеродистые стали подразделяются на три группы:

• • обычного качества;
• • качественные общего назначения (конструкционные);
• • специальные (инструментальная, котельная, трансформаторная и др.).

Свойства углеродистой стали изменяются в зависимости от содержания в ней углерода. Чем его меньше, тем сталь пластичнее.

Наибольшее распространение в машиностроении получили углеродистые стали обычного качества ввиду их невысокой стоимости. Из них изготовляют гайки, болты, оси, валы, металлоконструкции. В зависимости от назначения и гарантированных механических свойств углеродистые стали обычного качества подразделяются на три группы А, Б и В.

А — без уточнения химического состава. Обозначаются от Ст 0 до Ст 6. Чем больше число в обозначении марки стали, тем больше содержание углерода.

Б — поставляется с гарантированным химическим составом. Пример обозначения: БСт 3.

В — поставляют с гарантированным химическим составом, а также механическими свойствами. Обозначаются ВСт 2, ВСт 5 и т. д.

Качественные (конструкционные) углеродистые стали выпускают с соблюдением более строгих технических условий по составу, примесям, ведению плавки и т. д. Обозначаются — от стали 08 до стали 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Конструкционные стали условно подразделяют на низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3%… 0,55%) и высокоуглеродистые (0,6%…0,85%).

Благодаря их высокой пластичности низкоуглеродистые конструкционные стали применяют для изготовления деталей путем пластического деформирования и сварки.

Среднеуглеродистые стали более прочные и менее пластичные. Хорошо обрабатываются на металлорежущих станках и используются для изготовления широкого спектра деталей.

Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления деталей, испытывающих большие напряжения, таких как пружины, рессоры и т. д.

Легированные стали выплавляют с добавлением легирующих элементов для улучшения их технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и т. д.). Легированные стали обозначаются цифрами и буквами, например: 40Х, 18ХН10Т, 12ХНЗА, 18ХТТ идр. Цифры вначале обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Буквы обозначают легирующий элемент: В — вольфрам, Г — марганец, Н — никель, М — молибден, Т — титан, X — хром, Ю — алюминий. Цифры после легирующего элемента обозначают содержание этого элемента в процентах. При содержании легирующей добавки менее 1,5% цифра не ставится.

Основная часть легированных сталей выплавляется качественной с содержанием примесей фосфора и кремния до 0,035%. Высококачественные легированные стали с пониженным содержанием вредных примесей до 0,025% обозначаются в конце буквой А.

Легированные стали условно подразделяют на низколегированные (с общим содержанием легирующих элементов до 3%), среднелегированные (от 3% до 5,5%) и высоколегированные (свыше 5,5%).

Легированные и качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (временное сопротивление от 800 до 1400 МПа) и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин, таких как зубчатые колеса, валы и т. д.

Чугун — сплав железа с углеродом с содержанием углерода свыше 2%, плохо поддающийся ковке. Чугун обладает высокими литейными свойствами и хорошо обрабатывается резанием.

В зависимости от структуры различают серый, белый и ковкий чугуны. Наиболее широко в промышленности используются серые чугуны. Пример обозначения: СЧ28. Цифра после аббревиатуры серого чугуна обозначает предел прочности при растяжении в МПа, поделенный на 10.

Термическая обработка применяется для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности, вязкости и др.). Выполняют термообработку заготовок либо готовых деталей. Любой вид термической обработки состоит из трех стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью. К основным видам термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг характеризуется медленным охлаждением, часто вместе с нагревательной печью. Отжиг применяют для снижения твердости и лучшей обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых и легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений после сварки.

Нормализация отличается от отжига охлаждением на воздухе. Применяется для получения однородной структуры с более высокой твердостью, чем после отжига.

Закалка характеризуется высокой скоростью охлаждения в воде, масле или солевых растворах. В результате закалки металл получает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудно обрабатывается резанием. Закалка подразделяется на объемную и поверхностную.

Отпуск состоит из нагревало температуры ниже интервала фазовых превращений. Применяется после закалки для улучшения обрабатываемости резанием и уменьшения остаточных термических напряжений.