Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева ЛЕКЦИЯ 3 Машиностроительные (конструкционные) материалы. Дисциплины: Разработчики: Детали машин и основы конструирования Основы проектирования и конструирования Кафедра «Основ конструирования машин» д. т. н. , профессор Ереско Татьяна Трофимовна к. т. н. , доцент Фадеев Александрович
Требования к конструкционным материалам Выбор материала для деталей машин определяется: требованиями к изделию, вытекающими из назначения конструкции, условиями его эксплуатации и технологическими свойствами материала с учетом возможностей производства; технологические свойства материала (литейные свойства, обрабатываемость резанием и возможность изменения формы путем пластического деформирования, а также изменение свойств материала при термической, термохимической обработках или при обработке потоками высоких энергий)
Основные характеристики конструкционных материалов 1. Прочность σВ - предел прочности; σТ или σ0. 2 - предел текучести; σ-1 - предел выносливости σεt. Т - предел ползучести (для жаропрочных материалов, характеризующий деформацию ε (в процентах) за определенный промежуток времени t при температуре Т). 2. Контактная выносливость σНlim - предел контактной выносливости для базового числа циклов перемены напряжения NHO; НВ или HRCэ - твердость поверхности по Бринеллю или по Роквеллу 3. Жесткость Е - модуль упругости 4. Плотность материала (ρ)
Основные характеристики конструкционных материалов 5. Пластичность δ - относительное удлинение; ψ - относительное сужением 6. Износостойкость Jh - интенсивность изнашивания (зависит от твердости поверхности НВ или HRCэ и допускаемого давления [р]) и определяется: h — толщина слоя, снятая в результате изнашивания; s — перемещение точки поверхности, на которой фиксировался износ. 7. Фрикционные свойства f – коэффициент трения; [р] – допускаемое давление; [Vs] – скоростью скольжения 8. Ударная вязкость (KCU) характеризуемая как отношение работы по разрушению образца определенного поперечного сечения к площади поперечного сечения в месте надреза;
Виды конструкционных материалов Стали (железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2, 14 %). Углеродистые - низкоуглеродистые (С ≤ 0, 25 %), - среднеуглеродистые (С = 0, 25… 0, 6%) - высокоуглеродистые (С > 0, 6%). Легированные Вид и процентное содержание в стали легирующих присадок указывают цифрами после буквы: вольфрам (В), марганец (Г), медь (Д), молибден (М), никель (Н), бор (Р), кремний (С), титан (Т), хром (X), ванадий (Ф), алюминий (Ю) Пример: 12 Х 18 Н 10 Т, 30 ХГСА, 18 ХГТ По способу производства: - качественные; - высококачественные (в конце обозначения стали – буква А); - особо высококачественные
Термическая обработка сталей Отжиг характеризуется медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок. Проводят для: — снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых легированных сталей; — для снятия остаточных напряжений в конструкциях после сварки или предварительной (черновой) обработки резанием. Нормализация отличается от отжига характером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Применяют для: — получения однородной структуры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига; — для исправления структуры сварных швов, выравнивания структурной неоднородности поковок и отливок; — для улучшения обрабатываемости резанием сталей.
Термическая обработка сталей Закалка отличается высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей (за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей Nа. ОН, Nа. Сl и др. ) после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Проводят для: получения мелкозернистой однородной структуры с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудной обрабатываемостью резанием Поверхностная закалка нагрев с большой скоростью поверхностного слоя стальной детали (токами высокой частоты, электронным лучом и др. ) выше температуры превращений и последующее быстрое охлаждение.
Термическая обработка сталей Отпуск производится нагрев до температуры ниже интервала превращений, выдержка и последующее охлаждение. Применяют после закалки (нормализации) стальных отливок, поковок, проката и механически обработанных деталей. Проводят для: для повышении вязких свойств, уменьшения термических остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. В зависимости от температуры нагрева различают: высокий отпуск (температура нагрева 500… 670 °С), средний отпуск (температура нагрева 250… 450 °С), низкий отпуск (температура нагрева 140… 230 °С). С увеличением температуры нагрева повышается пластичность стали после отпуска.
Химико-термическая обработка сталей Изменяется химический состав поверхностных слоев деталей, что позволяет получить мелкозернистую структуру, высокую твердость, прочность и износостойкость деталей Цементация насыщение поверхностных слоев стали углеродом (подвергают детали из низкоуглеродистых легированных сталей 15, 20 Х, 12 Х 2 Н 4 А, 12 ХН 3 А, 18 Х 2 Н 4 МА); Азотирование насыщение азотом (стали 38 Х 2 МЮА, 38 Х 2 Ю и др. ); Цианирование одновременное насыщение углеродом и азотом (стали марок 15, 20, 45, 35 Х, 40 Х и др. ); Борирование насыщение бором Глубина насыщения – 0, 2… 1 мм
Чугуны (железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2, 14%). Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, обрабатывают резанием твердосплавным инструментом. Используют для изготовления тормозных колодок и деталей, взаимодействующих с абразивом. Применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун
Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2, 4… 2, 9 % С и 1, 0… 1, 6 % Si). Используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п. ) Имеет низкую пластичности и высокую прочность (σв = 300… 630 Мпа) Маркировка: КЧ 33 – 8 относительным удлинением при разрыве 8 %; предел прочности при растяжении 33 кг/мм 2 (330 МПа); ковкий чугун.
Серый чугун Имеет высокие литейные свойства, среднюю прочность (σв ≤ 400 МПа), удовлетворительную износостойкость, высокую демпфирирующую способность, хорошо обрабатывается резанием. Группы серого чугуна: ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) - для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин; перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) - для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей; модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий чугун присадок ферросилиция (имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита. Маркировка: СЧ 15 предел прочности при растяжении 15 кг/мм 2 (150 МПа); серый чугун.
Высокопрочный чугун наиболее перспективный литейный сплав с шаровидным графитом (получаемым модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Са, Се и редкоземельные металлы (РЗМ)), обуславливающим высокие механические свойства. Используют для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др. ) Маркировка: ВЧ 100 предел прочности при растяжении 100 кг/мм 2 (1000 МПа); высокопрочный чугун.
Легированные чугуны Износостойкие чугуны легированные Ni (до 5 %) и Cr (0, 8 %), с добавлением Ti, Cu, V, Mo обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах: изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др. Жаростойкие легированные чугуны (ЧХ 2, ЧХ 3) применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3). Жаропрочные легированные чугуны (ЧНМШ, ЧНИГ 7 Х 2 Ш ) с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500… 600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др. Коррозионно-стойкие легированные чугуны (ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН 2 Х) (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д. ).
Легированные чугуны Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения. Для легирования антифрикционных чугунов используют Cr, Cu, Ni, Ti. Включает: 6 марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1…. АЧС-6) 2 марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) 2 марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.
Медные сплавы Латуни двойные (сплавы Сu и Zn) и многокомпонентные (содержат дополнительно Pb, Si, Mn и др. ). Имеют хорошие технологические свойства, достаточную прочность (σв = 250… 350 МПа), хорошее сопротивление коррозии. Используются в узлах трения, для изготовления арматуры и т. д. Маркировка: ЛМц. С 58 – 2 процентное содержание элементов: (Сu – 58%, Mn – 2%, Si – 2%) латунь (Л) с содержанием легирующего элемента (Мn и Si).
Медные сплавы Бронзы Основа — Сu, а также компоненты, определяющие их наименование. Различают бронзы оловянистые, свинцовистые, алюминиевые, бериллиевые и др. Имеют: — высокие антифрикционные свойства (применяют в подшипниках скольжения, в червячных и винтовых колесах и др. ); — коррозионную стойкость; — технологические свойства (имеются в виду литейные бронзы и бронзы, обрабатываемые давлением – алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др. ). Основные компоненты кроме меди: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, О - олово, Ц - цинк, Ф - фосфор и др. ) Маркировка: Бр. АЖ 9 – 4 процентное содержание элементов: (Al – 9%, Fe – 4%, остальное Сu) бронза (Бр) с содержанием легирующего элемента (Al и Fe).
Баббиты Сплавы на основе Sn или Pb являются высококачественными хорошо прирабатывающимися антифрикционными подшипниковыми материалами (предназначенный для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника). В качестве присадок могут быть использованы: Sb, Cu, Ni, As, Cd, Te, Ca, Na, Mg. Температура плавления — 300…. 440 °C. Обозначение: Б и цифрой, выражающей содержание в процентах Sn, или буквой, показывающей дополнительный компонент Баббиты на основе Sn (Б 88, Б 83 С) используют, когда от антифрикционного материала требуются повышенная вязкость и минимальный коэффициент трения. Баббиты на основе Pb (Б 16, БН, БКА, БК 2 Ш) обладают более высокой рабочей температурой. Применяется для подшипников дизельных двигателей, прокатных станов.
Алюминиевые сплавы Сплавы на основе Аl. Имеют плотность ρ = 2, 6… 2. 9 г/см 3 (почти в 3 раза, меньшую, чем стали) и удельную прочность, приблизительно равную удельной прочности стали. Литейные Основными являются сплавы с кремнием — силумины (АЛ 2, АЛ 4, АЛ 5, АЛ 9 и др. ), имеющие после закалки σв = 170… 250 МПа. Обладая высокими литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. они широко применяются для изготовления сложных деталей корпусов машин. Деформируемые Сплавы марок АМц. АМг и др. (термически неупрочняемые), а также термически упрочняемые сплавы алюминия с медью и магнием дюралюмины (Д 1, Д 16 и др. ) имеют σв = 350… 400 Мпа и используются для изготовления обработкой давлением и резанием корпусов, трубопроводов, заклепок, сепараторов подшипников и других деталей машин (в особенности транспортных)
Титановые сплавы Сплавы Ti с Al и Cu и другими присадками: ВТ 3 -1, ВТ 5, ВТ 9, ВТ 16, ВТ 22 и др. Имеют после термообработки высокую прочность (σв = 900… 1300 МПа), малую плотность (ρ = 4, 5 г/см 3), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и других деталей изделий авиационнокосмической техники, судостроения, химической и пищевой промышленности.
Магниевые сплавы Являются самым легким (плотность ρ = 1, 8 г/см 3) конструкционным металлом и остаются единственным конкурентом конструкционных пластмасс, а также алюминиевых сплавов по весовым характеристикам, имея перед ними существенные преимущества: — высокие удельные прочность и жесткость, хорошие усталостные свойства (после термообработки дают σв = 200… 230 МПа, σт = 150… 180 МПа); — стабильность механических свойств и размеров при длительном хранении благодаря отсутствию способности естественно стариться; — способность работать в широком диапазоне температур: от криогенных (-70…-196°С) температур до высоких (кратковременно до 300… 350°С, длительно – до 200… 250°С); — высокая демпфирующая способность, хорошее тепловое и противошумное экранирование. Основное применение имеют литейные (МЛЗ, МЛ 4, МЛ 5 и др. ) и деформируемые (МА 9, МА 8, МАЗ, ВМ 65 -1 и др. ) сплавы. Применяют для изготовления деталей, корпусов агрегатов.
Композитные материалы Гетерогенная система из двух и более компонентов. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; другой, разделенный в объеме композиции, является усиливающим или армирующим (наполнитель). По своим прочностным качествам многие композиты превосходят любой из своих компонентов или резко отличаются от них по физическим и механическим данным. Наполнитель: стеклянные, борные, углеродные и органические волокна. Матрица: ü полимеры эпоксидные, ( полиэфирные и другие термоактивные смолы, полимерные материалы) ü металлы (алюминиевые, титановые, никелехромовые, магниевые сплавы)
Композитные материалы Классификация: По форме включений: üгранулы; üкороткие волокна, üнепрерывные волокна (нити); üслои из тканых материалов (ткани различного плетения и т. п. ). По конструктивному признаку: ü хаотически армированные; ü одномерно армированные; ü двумерно армированные; ü пространственно армированные. Механические свойства определяются: ü прочностью включений; ü жесткостью матриц; ü прочностью связей на границе раздела. Зависят: от ориентации включений и изменяются под влиянием химического старения, окружающей среды (особенно при изменении температуры) и воздействия влаги.
Композитные материалы Достоинства: üувеличением прочности и жесткости конструкции; üснижением массы летательных аппаратов; üвозможностью «управлять» прочностными и жесткостными характеристиками конструкции за счет использования анизотропии механических свойств материала; üсвободный выбором геометрии изделия. Недостатки: ü повышенная чувствительность к влаге (значительно уменьшается прочность); ü волокнистые композиты имеют низкие механические характеристики при нагружении их в направлении, перпендикулярном расположению армирующих волокон; ü у композитов с металлической матрицей имеется проблема физической (пластичность, прочность, температурный коэффициент линейного расширения) и химической (реакция армирующего материала с матрицей) совместимости.
Композиционная конструкция Истребителя 5 -го поколения Т-50
Пластмассы Материалы на основе высокомолекулярных органических соединений (смол), являющихся связующими. Они имеют 40… 70% «несущих» компонентов (наполнителя) в виде волокон (текстильных, стеклянных, асбестовых), ткани, бумаги, муки (древесной, минеральной) и др. Малая плотность (ρ = 1, 1… 2, 3 г/см 3), высокая коррозионная стойкость и сравнительно высокая прочность (σв = 60… 300 МПа) Применяют (часто взамен металлов) для изготовления корпусов, червячных колес и т. д. Наиболее распространенные материалы: — термореактивные слоистые пластмассы: текстолит (наполнитель хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель – листы бумаги), асботекстолит, стеклопластики, древопластики; — термореактивные пластмассы (волокнит, фенопласт, и др. ) – используют для изготовления прессованием рукояток шкивов, ступиц колес и других деталей изделий бытовой техники; — термопластичные пластмассы (органическое стекло – плексиглас, винипласт, фторопласт и др. ) – используются для изготовления стекол, труб, защитных пленок и др. ; — полиамиды (капрон, нейлон и др. ) применяются для формовки деталей сложной конфигурации (ремни, зубчатые колеса и др. ).
Резина Материал на основе натурального или искусственного каучука. Имеет: — высокую упругую податливость (малую жесткость) — хорошо гасит колебания, — сопротивляется истиранию и т. д. В зависимости от назначения резину изготавливают: — мягкой (для шин), — пористой (для амортизаторов) — жесткой (эбонит – для изготовления электротехнических изделий). Для повышения несущей способности резинотехнических изделий их армируют текстильными или стальными элементами.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Скачать презентацию Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М Ф
ЛЕКЦИЯ 3 Машиностроительные материалы.ppt