Тема 2.1 Конструкционные материалы

Студент должен знать: общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам; классификацию конструкционных материалов; технические характеристики конструкционных материалов; методы повышения конструктивной прочности; маркировку и область применения сталей; принцип выбора сталей для конкретных условий работы.

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам. Методы повышения конструктивной прочности материалов и их технические характеристики, критерии прочности, надежности, долговечности, экономической целесообразности и т.д. Классификация конструкционных материалов и их технические характеристики. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей. Углеродистые стали: обыкновенного качества и качественные стали. Легированные стали.

Литература: 7, с. 77…121; 3, с. 135…138; 4, с. 51…65, 191…144.

Методические указания

Разберите маркировку стали по ГОСТ. Выпишите в конспект несколько марок строительной, конструкционной и инструментальной сталей обыкновенного качества, качественной и высококачественной и укажите их состав, свойства и область применения. Нужно знать влияние углерода и основных примесей на свойства углеродистой стали. Запомните, что вредное влияние фосфора проявляется при работе деталей из сталей, сера же главным образом затрудняет горячую обработку давлением, на работу деталей она практически не влияет, так как детали из углеродистых сталей при высоких температурах не работают. Основное внимание обратите на требования, которые предъявляются к конструкционным и инструментальным сталям. Запомните, что в конструкционных сталях содержание углерода не превышает 0,65%, так как при большем содержании углерода детали становятся хрупкими.

В инструментальных сталях, наоборот, содержание углерода должно превышать 0,7%, так как инструмент в первую очередь должен быть твердым (кроме штампов, деформирующих металл в горячем состоянии).

Добавка к стали небольшого количества (до 1 – 2%) недорогих легирующих элементов (кремния, марганца, хрома и некоторых других) незначительно удорожает сталь, но позволяет уменьшить размеры, увеличить долговечность и надежность деталей машин и инструмента, так как у легированных сталей повышенная прочность, что в конечном итоге снижает расход металла и дает экономический эффект.

Так как свойства сталей зависят от их внутреннего строения, то изучение этой темы нужно начать с влиянием легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Разберите, почему свойства легированных сталей отличаются от свойств углеродистых при одном и том же содержании углерода. Начните с влиянием легирующих элементов на положение критических точек и линий диаграммы железо – цементит.

Разберите классификацию легированных сталей по различным признакам и их маркировку. Нужно уметь правильно определить по марке стали ее химический состав и примерное назначение. Выпишите в конспект несколько марок легированных сталей, расшифруйте их состав, укажите назначение.

Изучая конструкционные и инструментальные стали, нужно отчетливо себе представлять цель легирования, преимущества легированных сталей перед углеродистыми. Основная цель легирования конструкционных сталей – увеличение их прокаливаемости. Сталь должна обеспечить прокаливаемость в рабочем сечении детали, то есть в том сечении, на которое действуют нагрузки. Обычно, чем больше действующие нагрузки и чем больше рабочее сечение детали, тем более легирована сталь.

Основное достоинство легированных инструментальных сталей – возможность их закалки в масле или расплавленных солях, так как при этом возникает меньше коробления и меньшая хрупкость. Требования к инструментальным сталям и их термическую обработку нужно разбирать, исходя из их применения. Основное требование к сталям, идущим на изготовление режущего и измерительного инструмента и для штампов, деформирующих металл в холодном состоянии, - это твердость и износоустойчивость. Поэтому в таких сталях содержание углерода должно быть порядка 1%. Окончательной термической обработкой является закалка и низкий отпуск, при котором сохраняется твердость (кроме быстрорежущих сталей), для некоторого ударного инструмента дают средний отпуск. В сталях для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, содержание углерода среднее – 0,4-0,6%, так как они должны быть прочными и выдерживать ударные нагрузки при нагреве. В эти стали всегда входят вольфрам и молибден, которые предупреждают возникновение хрупкости при нагреве. Отпуск всегда дается высокий. Температура отпуска выбирается в зависимости от условий работы штампа, она всегда должна быть выше температуры нагрева поверхности штампа во время работы. Режущий инструмент не может работать при большой скорости резания, так как при нагреве выше 200-250°C резко падает твердость. Сохраняют твердость при нагреве до 500-600°C только быстрорежущие стали. Выпишите в конспект несколько марок низколегированных конструкционных и инструментальных сталей, укажите их состав, свойства, термическую обработку и область применения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое содержание углерода может быть в стали теоретически и практически?

2. Какие основные примеси и в каком количестве входят в углеродистые стали?

3. Какая разница в свойствах при одинаковом содержании углерода между сталью обыкновенного качества, качественной и высококачественной?

4. Как делится углеродистая сталь по назначению?

5. Почему сера и фосфор считаются вредными примесями?

6. Укажите область применения углеродистой стали в зависимости от содержания в ней углерода.

7. Как влияют легирующие элементы на прокаливаемость стали?

8. Почему у легированных сталей после закалки остается больше аустенита, чем у углеродистых сталей, и какое это имеет практическое значение?

9. Сущность явления отпускной хрупкости в легированных сталях.

10. В каких легированных сталях может получиться однофазная структура и почему?

11. Почему детали из легированных сталей могут иметь меньшие размеры?

12. Расшифруйте марки сталей 18ХГТ, 37ХН3А, 4Х5В2ФС, укажите их термическую обработку их область применения.