Технология конструкционных материалов (ТКМ) (лекция 1)

1.

Российский государственный университет нефти и газа
(национальный исследовательский университет) имени И.М.
Губкина
Кафедра трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования
УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Лекция №1
Преподаватель:
Доцент кафедры ТиТРНГО, к.т.н. Буклаков Андрей Геннадьевич
Москва 2020 год

2.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТКМ)
ТКМ – дисциплина, изучающая способы
получения различных металлов и неметаллов , а
также технологические методы формообразования
заготовок и деталей литьем , обработкой
давлением , сваркой и обработкой резанием.

3.

Конструкционные материалы
К конструкционным, относится широкий перечень различных материалов,
используемых для изготовления деталей машин, аппаратов, оборудования
и элементов конструкций различного назначения. В зависимости от
химического состава все конструкционные материалы можно разделить на
металлические и неметаллические.
Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества
неорганического происхождения, многие из которых обладают
характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью,
пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.
К неметаллическим материалам относятся – пластмассы, резины, стекло,
древесина и т.п. Эта группа конструкционных материалов весьма
разнообразна как по своему составу, таки по свойствам.
Промежуточное место между металлическими и неметаллическими
конструкционными материалами занимаю композиционные материалы,
представляющие собой смесь из двух или более разнородных
компонентов.

4.

тапы развития металлургии - немного истории

5.

Классификация металлов
Черные металлы
сталь
Fe
Цветные металлы
легкие
тяжелые
благородные
K, Na, Ca, Al , Mg
Ni, Cu, Pb, Zn, Sn
Au , Ag, Pt
редкие
чугун
тугоплавкие
легкие
радиоактивные
W, Ti, Mо, V, Nb, Zr, Та
Sr, Sc, Rb, Cs
U; Ra, Ae, Pd
редкоземельные
Ge, Ga, Hf , In, La, Tl , Се, Re

6.

Классификация сплавов
Сплавом называют вещество, полученное сплавлением 2-х или
более элементов, называемых компонентами сплавов
Сплавы:
на основе железа (Fe) называются чёрными или железоуглеродистыми
сплавами (стали, чугуны);
на основе цветных металлов, таких как K (калий), Na (натрий), Ca
(кальций), Al (алюминий), Mg (магний) называются легкими цветными
сплавами;
на основе цветных металлов, таких как Ni (никель)i, Cu (медь), Pb
(свинец), Zn (цинк), Sn (олово) называются тяжёлыми цветными сплавами;
на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам), Ti (титан), Mо
(молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), и т.д. называются
тугоплавкими сплавами.

7.

Примеси сплавов.
Различают сплавы: двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.)
примеси:
- Случайные
(попадают в сплав во время его приготовления);
- специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых
эксплуатационных свойств)
Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка –
лигатурой.
Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы),
так и сплавы этих элементов.
Различают примеси:
вредные (S, P, O2, H2, N2), ухудшающие свойства материалов,
полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

8.

Структура сплавов
По структуре сплавы разделяют на твердые растворы, механические смеси и
химические соединения.
а. Если атомы входящих в состав сплава
компонентов имеют незначительные различия в
размерах и строении электронной оболочки, то
они как правило образуют общую кристаллическую
решетку. Такая структура называется твердым
раствором.
б. Механическая смесь получается, когда
компоненты сплава не могут образовать общую
решетку и каждый из них кристаллизуется
самостоятельно.
в. При химическом взаимодействии компонентов
сплава получается новое вещество, свойства
которого резко отличаются от свойств исходных
компонентов; такой сплав называют химическим

9.

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ
Сплавы железа с углеродом называются черными или железоуглеродистыми сплавами.
К этим сплавам относятся стали и чугуны.
СТАЛЬ – ЭТО СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ,
КОЛИЧЕСТВО КОТОРОГО НЕ ПРЕВЫШАЕТ 2,14%.
Помимо углерода в стали могут присутствовать и другие элементы, которые можно
разделить:
- на легирующие элементы, обеспечивающие желаемое изменение структуры стали и ее
механических свойств, к наиболее часто применяемым из которых относятся кремний,
марганец, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан;
- на вредные примеси, способствующие ухудшению работоспособности и
образованию нежелательных фаз. К вредным примесям для сталей относят серу, фосфор
и кислород. Вредные примеси неизбежно попадают в сталь при ее выплавке.

10.

Классификация сталей
1. Химический состав.
Углеродистые стали подразделяют на:
малоуглеродистыми, содержание углерода С < 0,25%;
среднеуглеродистыми, содержание углерода 0,25≤ С ≤ 0,60%
высокоуглеродистыми, содержание углерода С > 0,60%
Легированные стали подразделяют на:
низколегированные, суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%
среднелегированные, суммарное содержание легирующих элементов от 2,5 до 10%;
высоколегированные, суммарное содержание легирующих элементов свыше 10%.

11.

Классификация сталей
2. Назначение.
Конструкционные,
предназначенные
для
изготовления
строительных
и
машиностроительных изделий деталей машин и приборов).
Инструментальные,
предназначенные для изготовления режущего, мерительного,
штампового и прочего инструментов. Эти стали содержат более 0,65% углерода.
Специальные стали с особыми свойствами:
- с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными
характеристиками (электротехническая сталь)
- с особыми химическими свойствами, например, коррозионностойкие, жаростойкие или
жаропрочные стали.

12.

Основные эксплуатационные свойства специальных сталей.
1. Износостойкость
–
способность
материала
сопротивляться
поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться
действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в
газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность –способность материала сохранять свои свойства при
высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические
свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к
другому материалу.

13.

Классификация сталей
3. Качество.
Стали обыкновенного качества- содержание серы до 0.06% и
фосфора до 0,07%.
Качественные - содержание серы до 0,035% и фосфора до 0,035% .
Высококачественные - содержание серы до 0,025% и фосфора до
0,025%.
Особовысококачественные - содержание серы до 0,015% и фосфора
до 0,025%.

14.

Классификация сталей
4. Степень раскисления.
спокойные стали;
кипящие стали;
полуспокойные стали.
5. Метод получения из сталей изделий.
деформируемые (изделия производят обработкой давлением);
литейные (изделия производят литьем).

15.

Классификация сталей
6. Условия поставки потребителям.
сталь группы А - поставляется потребителям по механическим
свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы
или фосфора);
сталь группы Б - по химическому составу;
сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и
химическим составом.

16.

Маркировка сталей
Спокойные стали - маркируются буквами “сп” (иногда буквы опускаются);
Кипящие стали - маркируются буквами "кп";
Полуспокойные стали - маркируются буквами "пс".
Литейные стали - маркируются в конце буквой "Л"
Стали обыкновенного качества маркируются буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в
зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и
прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на
повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А"
в обозначении марки стали не ставится.
Например:
Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, поставляется
потребителям по механическим свойствам (группа А);
ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца,
спокойная, № марки 5, с гарантированными механическими свойствами и химическим составом
(группа В);
БСт0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б (стали марок Ст0 и БСт0
по степени раскисления не разделяют).

17.

Маркировка сталей
Качественные стали
1. В начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его
средней концентрации;
а) в сотых долях процента для сталей, содержащих углерода С < 0,65%;
05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С;
60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;
б) в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно
снабжаются буквой "У":
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная
(все инструментальные стали спокойные);
У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;

18.

Маркировка сталей
2. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими
буквами
Обозначения элементов
в таблице
в марке стали
Менделеева
А
N
Наименование элемента
Примеры:
Азот
Б
Nb
Ниобий
В
Г
Д
Е
К
М
Н
Р
С
Т
Ф
Х
Ц
Ю
W
Mn
Cu
Sе
Co
Mo
Ni
B
Si
Ti
V
Cr
Zr
Al
Вольфрам
Марганец
Медь
Селен
Кобальт
Молибден
Никель
Бор
Кремний
Титан
Ванадий
Хром
Цирконий
Алюминий
14Г2
–
качественная
содержит
низко
сталь,
легированная
спокойная,
приблизительно
14%
углерода и до 2,0% марганца.
03Х16Н15М3Б - высоколегированная
качественная
сталь,
спокойная
содержит 0,03% C; 16,0% Cr; 15,0%
Ni; до З,0% Мо; до 1,0% Nb.

19.

Маркировка сталей
Высококачественные и особовысококачественные стали
(инструментальные, шарикоподшипниковые, быстрорежущие)
Маркируют так же, как и качественные, но в конце марки
высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине
марочного обозначения указывает на наличие азота, специально
введённого в сталь), а после марки особовысококачественной через тире букву "Ш".
Например:
У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь,
содержащая 0,8% углерода;
30ХГС-Ш – особовысококачественная среднелегированная сталь,
содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и
кремния каждого.

20.

Маркировка сталей
Шарикоподшипниковые стали
Используются для изготовления подшипников.
Маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:
ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;
ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.
Быстрорежущие стали.
Используются для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.
Обозначаются буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней
вольфрама:
Р18-быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама;
Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобальта.
ВД - вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД), ЭЛ - электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5ТЭЛ), ПД - плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом, Ш –
электрошлаковый переплав и т.д.
При обозначении литейных сталей добавляется буква Л: например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35 ХГЛ

21.

Классификация и маркировка чугунов
Чугунами называются сплавы железа (Fe) с
углеродом (2,14%<С < 6,67%),
а также другими элементами.

22.

Классификация чугунов
1. Степень графитизации.
Углерод в чугуне может находится в связанном состоянии в виде карбида,
называемого цементитом (Fe3C), а также в частично или полностью
свободном состоянии в виде графита. Состояние углерода в чугуне его
прочностные свойства.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
серый чугун - углерод находится в частично или полностью свободном
состоянии в виде графитовых включений
белый чугун – весь углерод находится в виде цементита Fe3C;

23.

Классификация чугунов
2. Структура металлической матрицы (основы).
В зависимости от структуры металлической матрицы различают:
чугуны на ферритной основе (ферритные чугуны);
чугуны на феррито-перлитной основе (феррито-перлитные чугуны);
чугуны на перлитной основе (перлитные чугуны).

24.

Классификация чугунов
3. Форма графитовых включений.
Графитовые
включения
следующую форму:
имеют
пластинчатый графит (а);
хлопьевидный графит (б);
шаровидный (глобулярный) графит (в);
вермикулярный графит (г)

25.

Классификация чугунов
В зависимости от формы графитовых включений различают:
серые чугуны - чугуны с пластинчатым графитом;
высокопрочные чугуны - чугуны с шаровидным (глобулярным)
графитом;
чугуны с вермикулярным графитом;
ковкие чугуны - чугуны с хлопьевидным графитом.

26.

Классификация чугунов
4. По структуре металлической матрицы и форме графитовых включений
а – серый чугун на ферритной
основе;
б – чугун с вермикулярным
графитом на ферритной основе;
в – серый феррито-перлитный
чугун;
г – серый чугун на перлитной
основе;
д – высокопрочный ферритоперлитный чугун;
е –высокопрочный перлитный
чугун;
ж – ковкий чугун на ферритной
основе.

27.

Маркировка чугунов
1. Серый чугун.
Серый чугун получают в домне из руды. Структура серого чугуна формируется при низких скоростях
охлаждения. В серых чугунах углерод в значительной степени или полностью находится в свободном
состоянии в форме пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.
Маркировка. Маркируется серый чугун буквами СЧ и цифрами, которые обозначают предел прочности
при растяжении (σ в). Например, марка СЧ18 показывает, что чугун этой марки имеет σ в=180 МПа (18
кгс/мм2).
Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка
Область применения :
серый чугун обладает высокой способностью рассеивать вибрационные
колебания при переменных нагрузках ( высокая циклическая вязкость), поэтому из серого чугуна
изготавливают станины станков , прокатных станков , шкивы, маховики, корпуса механических
редукторов, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др.

28.

Маркировка чугунов
2. Высокопрочный чугун
В высокопрочном чугуне графитовые включения имеют шаровидную форму. Это достигается
модифицированием чугуна магнием до 0,08 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита не создает
резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе.
Маркировка. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две
обозначают предел прочности при растяжении, а последние - относительное удлинение в процентах
(δ%). Относительное удлинение характеризует пластические свойства материала. Например, марка
ВЧ42-12 показывает, что чугун данной марки имеет σв =420 МПа (42 кгс/мм2) и δ = 12 %.
Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка
Область применения : высокопрочные чугуны по своим механическим свойствам приближаются к
стали. Из него изготавливают ответственные детали: коленчатые валы двигателей автомобилей и
тракторов, шестерни и звездочки, детали турбин, изложницы и.т.д.

29.

Маркировка чугунов
3. Чугуны с вермикулярным графитом
Эти чугуны содержат в структуре графит вермикулярной формы и не более 40 % шаровидного графита.
Чугуны с вермикулярным графитом получают из серого чугуна в результате его модифицирования магнием
(Mg от 0,02 до 0,08 % от массы чугуна) и церием (Се от 0,02 до 0,07 % от массы чугуна)
Маркировка. Маркируется чугун с вермикулярным графитом буквами ЧВГ и цифрами, которые
обозначают предел прочности при растяжении (σ в). Например, марка ЧВГ30 показывает, что чугун этой
марки имеет σ в=300 МПа (30 кгс/мм2).
Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка
Область применения :
чугун с вермикулярным графитом по механическим свойствам занимают
промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Кроме того, чугуны с
вермикулярным графитом отличаются хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их стойкость к
резким перепадам температур. Из этого чугуна изготавливают детали, работающие в условиях износа и
переменных температур.

30.

Маркировка чугунов
4. Белый чугун
Белый чугун получают в домне из руды. Структура белого чугуна формируется при высоких скоростях
охлаждения. Углерод в белом чугуне присутствует в виде цементита Fe3C, который обладает высокой
твердость. Поэтому белый чугун не поддается механической обработке. Белый чугун переделывают на
ковкий или подвергают легированию для получения износостойкого чугуна..

31.

Маркировка чугунов
5. Ковкий чугун
Ковкий чугун ковать нельзя. Название говорит о том, что пластичность ковкого чугуна выше, чем белого.
Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графитовых включений. Его получают из белого чугуна в
результате специальной термообработки (графитизирующего отжига). Для получения ковкого чугуна
необходимо белый чугун нагреть до 950...1000°С и затем, после длительной выдержки при этой температуре
(от 17 до 80 часов), охладить с малой скоростью до нормальной температуры. Изолированная хлопьевидная
форма графита придает чугуну повышенную прочность и пластичность (хотя он и не поддается ковке).
Маркировка. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел
прочности при растяжении (σв), а последние — относительное удлинение в про-центах (δ%). Например,
марка КЧ35-10 означает, что чугун имеет σв = 350 МПа и δ%=10%
Литейные свойства: низкая жидкотекучесть и большая усадка.
Область применения : по механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение
между серым чугуном и сталью. Из ковкого чугуна изготавливают литые детали, работающие с небольшими
ударными нагрузками (рычаги, педали), а также трубопроводную арматуру, качество которой лучше, чем из
серого чугуна, но хуже, чем из стали.

32.

Маркировка чугунов
6. Износостойкий чугун.
В состав белого чугуна вводятся дополнительные легирующие элементы для придания сплаву нужных
эксплуатационных свойств и улучшения обрабатываемости режущим инструментом.
Маркировка. Маркируется износостойкий чугун как сталь, т.е по содержанию легирующих элементов.
Например – ИЧХ12Г5 (износостойкий чугун с содержание хрома примерно 12% и марганца примерно 5%).
Литейные свойства: низкая жидкотекучесть и большая усадка.
Область применения. Износостойкие чугуны хорошо противостоят абразивному износу, из них
изготавливают тормоза, диски сцепления, детали насосов, перекачивающих абразивные среды, детали
пескометов и т.д. Для этого в чугун добавляют Cr, Ni, Ti, W, Mo.

33.

Маркировка чугунов
7. Жаростойкий чугун
обладает повышенной стойкостью к воздействию высоких температур (300-400 ºC).
Обозначается буквой Ч. Последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры - их
содержание: ЧС5 (Si-5%).

34.

Спасибо за внимание!