Конструкционные материалы

Конструкционные материалы

1. Сплавы на основе  алюминия.

    Алюминий  – элемент 3 группы Периодической  системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660ºС. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность. Алюминий обладает высокой электропроводностью. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты (99,999%), высокой чистоты (99,995%) и технической чистоты (99%).

    В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

1.1 Классификация алюминиевых  сплавов.

    Все сплавы алюминия можно разделить  на три группы:

    1. Деформируемые сплавы, предназначенные  для получения полуфабрикатов, а  также поковок и штамповок  путем прокатки, прессования, ковки  и штамповки.

    2. Литейные сплавы, предназначенные  для фасонного литья.

    3. Сплавы, получаемые методом порошковой  металлургии.

    Деформируемые сплавы по способности упрочняться  термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической  обработкой, и сплавы, упрочняемые  термической обработкой.

    Сплавы  алюминия широко применяют в тех  случаях, когда важно снижение массы машины (конструкции).

1.2 Деформируемые алюминиевые  сплавы, упрочняемые  термической обработкой.

    Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al – Cu – Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Марганец повышает стойкость  дуралюмина против коррозии, а, присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т (Al12Mn2Cu), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства. В качестве примесей в дуралюмине присутствуют железо и кремний. Железо, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение Al7Cu2Fe, нерастворимое в алюминии. Железо связывает медь в этом соединении, вследствие чего снижается эффект упрочнения при старении, поэтому содержание железа не должно превышать 0,5 – 0,7%.

    Кремний образует фазы Mg2Si и W(AlxMg5Cu4Si4), которые растворяются в алюминии и при последующем старении упрочняют сплав.

    Дуралюмин хорошо деформируется в горячем  и холодном состояниях. При закалке  дуралюмина важно обеспечить высокую  скорость охлаждения, поэтому ее проводят в холодной воде. Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, так как оно обеспечивает получение более высокой коррозионной стойкости. Понижение температуры тормозит старение, а повышение ее, наоборот, увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозии.

    Дуралюмины  удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном  состояниях и плохо – в отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой  плавлением вследствие склонности к  образованию трещин. Из дуралюминов изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей.

    Сплавы  авиаль. Эти сплавы уступают дуралюминам  по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии.

    Из  авиалей изготовляют различные полуфабрикаты, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

    Высокопрочные сплавы. Прочность этих сплавов достигает 55 – 70 кгс/мм2, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов.

    При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается. А  их пластичность и коррозионная стойкость  понижаются. Добавки марганца и хрома  улучшают коррозионную стойкость. По сравнению  с дуралюмином эти сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. У них меньше предел выносливости и сопротивляемость повторным статическим нагрузкам.

    Сплавы  обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Высокопрочные сплавы применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, для изготовления прессованных и кованых изделий. Они рекомендуются для сжатых зон конструкций, для деталей без концентратов напряжения.

    Сплавы  для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью  и удовлетворительными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

    Эти сплавы используют для деталей сложной  формы и средней прочности, изготовление, которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Также рекомендуются для тяжело нагруженных штампованных деталей.

    Сплавы  хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно  свариваются контактной и аргонодуговой  сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

    Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для  деталей, работающих при температурах до 300ºС (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

    Высокая жаропрочность сплавов достигается  благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации.

1.3. Деформируемые алюминиевые  сплавы, не упрочняемые  термической обработкой.

    К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием.

    Сплавы Al – Mg добавочно легируют марганцем, который, образуя дисперсные частицы Al6Mn, упрочняет сплав. Эффект от закалки  и старения этих сплавов невелик, и их применяют в отожженном состоянии.

    Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой снимается в зоне сварки.

    Сплавы  легко обрабатываются давлением. Хорошо свариваются и обладают высокой  коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

1.4.Литые  алюминиевые сплавы.

    Сплавы  для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

    Высокими  литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре  эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Чаще применяют сплавы Al – Si, Al – Cu, Al – Mg, которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния (Al – Si), кремния (Al – Mg), марганца, никеля, хрома (Al – Cu).

    Сплавы Al – Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому и потому отличаются высокими литейными  свойствами, а отливки – большей  плотностью. Обладают высокой коррозийной стойкостью.

    Из  силуминов изготавливают крупные  нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров  двигателей).

    Сплавы Al – Si сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно  производить газовой и аргонодуговой  сваркой.

    Сплавы Al – Cu. Эти сплавы после термической  обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов  низкие. Эти сплавы используют для  отливки небольших деталей простой формы. Они склонны к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl2 и Al2Cu2Fe, поэтому сплавы Al – Cu применяют в закаленном состоянии, когда эти соединения переведены в твердый раствор. Если от отливок требуется повышенная прочность. То их после закалки подвергают искусственному старению при 150ºС.

    Сплавы Al – Cu малоустойчивы против коррозии, поэтому отливки обычно анодируют.

    Сплавы Al – Mg. Сплавы алюминий с магнием  имеют низкие литейные свойства, так  как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплавам модифицирующих присадок (Ti, Zr) улучшает механические свойства, а бериллия уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.

    Эти сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации. Добавление к сплавам Al – Mg кремния улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

    Жаропрочные сплавы. Структура этих сплавов состоит  из α – твердого раствора, содержащего Cu, Mg и Ni, и избыточных фаз Al2CuMg и Al6Cu3Ni. Отливки применяют после закалки  и кратковременного старения при 175ºС.

    Добавочное  легирование жаропрочных сплавов кремнием улучшает литейные свойства. Для увеличения жаропрочности и измельчания структуры сплавы легируют Fe, Ti, Cr и Mn. Для стабилизации размеров и снятия внутренних напряжений сплав подвергают отжигу при 300ºС. Для достижения максимальной жаропрочности отливки закаливают и подвергают старению при 230ºС. Жаропрочные сплавы применяют к деталям, длительно работающим при 250 - 270ºС.

1.5. Алюминиевые подшипниковые  сплавы.

    Из  этих сплавов изготавливают подшипники. Основными компонентами сплавов являются Sn, Cu, Ni, Si, образующие с алюминием гетерогенные структуры.

    Чем больше в сплавах олова, тем выше его антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание олова  не должно превышать 10 – 12%, так как  образующаяся грубая сетка оловянистой составляющей снижает износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры. В деформированных сплавах оловянистая составляющая располагается в виде отдельных включений внутри зерен, это дает возможность увеличить содержание олова и значительно улучшить антифрикционные свойства сплава.

    При работе в тяжелонагруженных скоростных подшипниках на рабочую поверхность  сплавов наносится слой олова  или другого мягкого металла.

1.6. Спеченные алюминиевые  сплавы.

    Наиболее  широко используют сплавы на основе Al – Al2O3, получившие название САП (спеченный алюминиевый порошок).

    Эти сплавы получают путем холодного  брикетирования алюминиевого порошка, вакуумной дегазации брикетов (отжига) и последующего спекания нагретых брикетов под давлением. Они состоят из алюминия и дисперсных чешуек Al2O3. Частицы Al2O3 эффективно тормозят движение дислокации и повышают прочность сплава.

    По  сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500ºС.

    Некоторое применение нашли спеченные алюминиевые  сплавы (САС). Чаще САС применяют, когда  путем литья и обработки давлением  трудно получить соответствующий сплав. Спеченные алюминиевые сплавы применяют  для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 - 200ºС. Которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

2. Сплавы на основе  меди.

    Медь  – химический элемент 1 группы Периодической  системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083ºС. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

    Медь  легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие  литейные свойства из-за небольшой  усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

2.1 Классификация медных  сплавов.

    Различают две основные группы медных сплавов:

    1. Латуни - сплавы меди с цинком.

    2. Бронзы – сплавы меди с другими  элементами, в числе которых, но  только наряду с другими, может быть цинк.

    Медные  сплавы обладают высокими механическими  и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

2.2 Латуни.

    Латунями  называют двойные или многокомпонентные  сплавы на основе меди, в которых  основным легирующим элементом является цинк.

    Двойные латуни нередко легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Такие  латуни называют специальными или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме  никеля) уменьшает растворимость  цинка в меди. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. Легирующие элементы увеличивают прочность, но уменьшают пластичность латуни.

    Свинец  облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn и Ni.

    Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше 20% Zn склонны к коррозийному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода, аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250 - 650ºС, а изделия из латуни – при 250 - 270ºС.

    Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные – для фасонного литья.

    Литейные  латуни обладают хорошей текучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

    Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно  отсутствие склонности к коррозийному растрескиванию, применяют латуни с высоким содержанием меди. Латуни с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, но хуже сопротивляются коррозии.

    Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, получившие название морских латуней.

    Латуни, предназначенные для фасонного  литья, от которых требуется повышенная прочность, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются лучшей коррозийной стойкостью.

2.3. Бронзы .

    Оловянные бронзы – это сплавы состава Cu – Sn. Максимальное содержание олова в  таких сплавах 10 – 12%. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации (образованию рассеянной пористости); при ускоренном охлаждении у них резко выраженное дендритное строение.

    Предел  прочности возрастает с увеличением  содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в  структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое  соединение Cu31Sn8, предел прочности резко  снижается.

    Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы. Фосфор при содержании его свыше 0,3% образует Cu3P. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозийную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но облегчает обработку резанием и антифрикционные свойства.

    Различают деформируемые и литейные оловянные  бронзы. Деформируемые бронзы изготовляют  в виде прутков, лент и проволоки  в нагартованном и отожженном состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются  для пружин и пружинных деталей. Литейные бронзы содержат большое количество цинка, фосфора и нередко свинца.

    Оловянные бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой  коррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами. Для облегчения обработки  давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700 - 750ºС с последующим быстрым охлаждением.

    Безоловянные  бронзы. Безоловянные бронзы представляют собой сплавы меди с Al, Ni, Si, Fe, Be, Cr, Pb и другими элементами.

    Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные Ni, Mn, Fe и другими. Эти бронзы используют для различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестерен и других небольших ответственных деталей. Сплавы, содержащие до 4 – 5 % Al, обладают высокой пластичностью и прочностью. Бронзы, содержащие более 9% Al, имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ниже. При содержании свыше 10 – 12% Al уменьшается уже и прочность сплавов. Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость как при низких, так и высоких температурах.

    Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства; бронзы легко обрабатываются давлением в горячем состоянии. Вследствие хороших литейных свойств из них можно изготовлять разнообразные отливки. Однако в них наблюдается значительная усадка и газопоглощение.

    Кремнистые  бронзы. При легировании меди кремнием повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозийные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются, обладают высокими механическими свойствами, упругостью и коррозийной стойкостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных температурах, в агрессивных средах.

    Бериллиевые бронзы относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой. После закалки бронза обладает прочностью, высокой пластичностью и способности упрочняться при отпуске как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Отпуск проводят при 300 - 350ºС.

    Наряду  с высокими пределом прочности, текучести  и упругости бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием.

    Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. При 953ºС происходит монотектическое  превращение и при 327ºС эвтектическое. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом, поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства.

    Такая структура бронзы обеспечивает высокие  антифрикционные свойства. Свинцовые бронзы используют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.

    Нередко свинцовые бронзы легируют никелем  и оловом, которые, растворяясь в  меди, повышают механические и коррозийные свойства. Свинцовые бронзы с добавкой олова и никеля, обладающие высокими механическими свойствами, используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников без стальной основы.

3. Сплавы на основе  железа.

    Чистое  железо – металл серебристо – белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539ºС. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.

    Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью; сплавы содержащие более 2,14% углерода – чугуном. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными  свойствами, в частности, более низкими  температурами плавления, и имеют  меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики.

3.1.Сталь

    Является  многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или  неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).

    Конструкционные стали и сплавы.

    Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.

    Конструкционная сталь должна иметь и хорошие  технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

    Углеродистые  конструкционные стали.

    Углеродистые  конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.

    Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а  затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.

    Кипящие стали. К этому виду относятся  стали, полностью нераскисленные и  содержащие поэтому до затвердевания  повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.

    Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.

    Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое  применение. В процессе выплавки они  по сравнению с качественными  сталями меньше очищаются от вредных  примесей и содержат больше серы и фосфора.

    Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный  рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы  и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

    Качественные  углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в  мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

    Низкоуглеродистые качественные стали используют и  для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали  углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.

    Среднеуглеродистые  стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки  для самых разнообразных деталей  во всех отраслях машиностроения. Эти  стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.

    Высокоуглеродистые  стали обладают более высокой  прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки  и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.

    Автоматные  стали.

    Автоматные  стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.