книги из ГПНТБ / Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов
.pdfГруппа материала
Сталь конструкционная
Сталь нержавеющая
Сталь инструментальная
Чугун серый
Чугун ковкий и высокопроч ный
Сплавы алюминия
Сплавы магния
Сплавы титана
Сплавы меди
Сплавы никеля
Тугоплавкие металлы
30
Важнейшиехарактеристики основных
Удельный
вес
7, Z j C M 3
1 7,8
7,8
7,8
7,4
7,4—7,6
2,6—3,0
1,76— 1,85
|
4,5 |
00 |
СО |
|
1 |
со |
о СО |
|
1 |
8,5—19
| |
Стойкость |
|
|
в горячем воздухе |
в водных растворах |
в раство рителях |
к старе нию |
± |
|
+ |
± |
+ |
± |
+ |
+ |
± |
т |
+ |
+ |
+ |
т |
+ |
± |
+ |
т |
+ |
+ |
+ |
± |
+ |
± |
± |
— |
|
+ |
± |
± |
+ |
± |
— |
± |
+ |
± |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
± |
+ |
+ |
Таблица 1
групп плотных м атериалов
Пределы прочности, KljMM* |
Относитель |
|
|
|
|
|
|
ное |
на растяжение |
на сжатие |
удлинение |
аъ |
а-Ъ |
при разрыве |
д, % |
||
30—300 |
30—300 |
0,2—40 |
50— 180 |
50—180 |
0,2—50 |
50—220 |
50—220 |
0,1— 15 |
10—60 |
30—100 |
0,1—0,35 |
30— 100 |
30—100 |
2— 15 |
6—68 |
6—68 |
2—35 |
16—40 |
16—40 |
2— 15 |
40— 170 |
40— 170 |
6—40 |
15— 150 |
15— 150 |
0,3—40 |
50— 190 |
50— 190 |
5—40 |
60—400 |
60—400 |
0,2—25 |
Сопротивление |
|
|
удару |
Модуль нормальной |
|
(ударная |
||
упругости |
||
вязкость) |
||
ZM0*3, кг1ммй |
||
дн, кгсм\сма |
||
|
||
200—2 500 |
19—22 |
|
200—2 500 |
19—22 |
|
200— 1 000 |
19—22 |
|
25—60 |
13— 17 |
|
50—400 |
15— 18 |
|
25—200 |
6,8—7,2 |
|
20— 100 |
4,2—4,4 |
|
200—700 |
11— 12 |
|
260—750 |
8 -9 ,4 |
|
200—2 500 |
19—22 |
|
20—2 000 |
2 5 -3 0 |
31
|
горячемв |
| |
|
воздухе |
|
Группа материала |
Удельный |
|
вес |
|
|
|
7 , г\см3 |
|
Легкоплавкие сплавы
Керамика
Стекло
Бетон и строительные рас творы
Древесина
Пресспорошки
Прессволокниты
Слоистые и армированные пластики
6,2— 10,5
2—4
2—4
00 1
1,55
1,5-2
1,5—2
1,5—2
—
+
+
+
—
±
±
±
Термопласты |
0,9—2,2 |
— |
Резина |
1— 1,5 |
— |
Стойкость |
|
|
в водных растворах |
в раство рителях |
к старе нию |
± |
± |
± |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
± |
± |
± |
± |
±±
+ ± ±
± ±
± ± ±
± т —
±т —
Пределы прочности, кг\мм2
на растяжение |
на сжатие |
|
|
°й |
°-*> |
до 50 |
до 50 |
|
0,05 |
—35 |
10— 1 000 |
3 |
— 600 |
20— 1 000 |
0,01 — 1 |
0,2— 6 |
|
1 — 15 |
0,6— 7 |
|
3 |
— 6 |
5—30 |
2 |
— 20 |
5— 20 |
10— 100 |
6—40 |
|
3 |
— 10 |
3— 10 |
1— 4 |
— |
Относитель
ное
удлинение при разрыве
5, %
ДО 70
0,03—0,1
О 0 со |
о |
|
1 |
0,01—0,03
3— 10
0,3
1— 3
2— 10
10— 600
100— 1 000
|
Продолжение табл. 1 |
|
Сопротивление |
|
|
удару |
Модуль нормальной |
|
(ударная |
||
упругости |
||
вязкость) |
/МО"*3, кг1мм* |
|
а н, кгсм\см2 |
||
|
||
20— 300 |
1,5— 13 |
|
1,5— 5 |
10— 40 |
|
1— 1,2 |
6— 10 |
|
0,1— 1 |
1,5—3 |
|
30— 100 |
0,8— 3 |
|
2— 16 |
0,7— 1 |
|
10— 100 |
0,7— 2,5 |
|
13—400 |
0,3— 5,3 |
|
> 5 0 |
0,01— 0,2 |
|
> 1 000 |
0,00008— 0,0035 |
32 |
3 Г. Г. Ростовцев |
33 |
|
|
Группа материала |
Твердость |
|
|
НВ (HV), |
|
|
|
|
KZjMM? |
Сталь |
конструкционная |
90— I 200 |
|
Сталь |
нерж авею щ ая |
150— I 000 |
|
Сталь |
инструментальная |
250— I 200 |
|
Чугун |
|
серый |
120—350 |
Чугун |
|
ковкий и высокопроч |
120—350 |
ный |
|
|
|
|
|
|
|
Сплавы |
алюминия |
25— 190 |
|
Сплавы |
магния |
40— 100 |
|
Сплавы |
титана |
180—415 |
|
Сплавы |
меди |
50—350 |
|
Сплавы |
никеля |
110—550 |
|
Тугоплавкие металлы |
200—600 |
Рабочие температуры, °С
t • |
^max |
|
mm |
||
( - 3 0 ) - |
200—500 |
|
(-1 0 0 ) |
||
|
||
( - 3 0 ) - |
400— 800 |
|
(—270) |
||
|
||
|
200—600 |
|
|
500—800 |
|
|
500 |
|
—270 |
120—300 |
|
—270 |
350 |
|
—270 |
400—600 |
|
—270 |
200—500 |
|
—270 |
400—900 |
1 200— 1 600
Л егкоплавкие сплавы |
8— 125 |
— 100 |
100 |
ч |
о |
давлением |
|
О. |
Применимость термообра ботки |
|
Обрабатываемость |
|
|
||||
|
>К |
|
|
0) |
|
|
о> |
О |
|
|
К |
|
|
2d |
|
|
в |
|
||
Л |
а. |
|
|
« |
|
|
W |
сз |
|
|
т |
|
|
S |
СО |
|
|
0> |
|
|
3 |
3—5 |
5 (г)— |
3—5 |
+ |
||
3 (х) |
||||||
|
|
|
|
|||
3 |
2—4 |
5 (г)— |
2—3 |
± |
||
4 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
3 |
1—3 |
4 (г)— |
3—4 |
+ |
||
2 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
5 |
1—2 |
|
|
4— 5 |
|
|
4 |
1—2 |
|
|
3—5 |
± |
|
3—5 |
2—4 |
5 (г)— |
5 |
± |
||
4 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
2—4 |
2—3 |
4 (г)— |
5 |
± |
||
3 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
2—4 |
2—4 |
3 (г)— |
2—3 |
± |
||
2 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
3—5 |
1—3 |
5 (г)— |
3 - 5 |
± |
||
|
|
4 |
(х) |
|
|
|
3—4 |
3—5 |
5 (г)— |
2—4 |
± |
||
4 |
(х) |
|||||
|
|
|
|
|||
|
1—3 |
3 (г)— |
2—3 |
т |
||
|
2 |
(х) |
||||
|
|
|
|
|||
5 |
4—5 |
5 (х) |
5 |
т |
|
|
Продолжение табл, 1 |
||
Стабильность размеров |
Стоимость |
|
Отходы |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
при обра |
|
|
1 |
м \ |
ботке |
|
1 кг, руб. |
в % |
||
|
тыс. |
руб. |
к весу |
|
|
|
|
|
изделия |
4—5 |
0,05—0,4 |
0,39—3,1 |
20—400 |
|
5 |
0,21—0,76 |
1,6—5 |
20—400 |
|
4—5 |
0,07—5,1 |
0,55—40 |
20—400 |
|
3—5 |
0,03—0,05 0,22—0,37 |
20— 100 |
||
4—5 |
0,06—0,1 |
0,44—0,76 |
20— 100 |
|
5 |
0,6—3 |
1,6—8 |
20—200 |
|
5 |
0,8—6,5 |
1,4— 12 |
20—200 |
|
5—3 |
4— 18 |
18—81 |
100—400 |
|
5 |
0,5— 1,5 |
4,0— 12 |
20—200 |
|
5 |
3,4—6 |
30—59 |
20—200 |
|
5 |
2—300 |
14,4— |
|
|
5 000 |
|
|||
|
|
|
||
3 |
0,55— 14 |
3,4— 110 |
|
34 |
3* |
35 |
|
|
|
Рабочие температуры, °С |
|
Группа материала |
Твердость |
|
|
НВ (HV), |
^min |
^max |
|
|
кг\мм1 |
Керамика
Стекло
Бетон и строительные рас творы
Древесина
Пресспорошки
Прессволокниты
Слоистые и армированные пластики
Термопласты
Резина
600—2 500
400—1 000
1,5—20
2— 10
20—50
20—50
20—50
2—22
<1
(-2 0 ) - (—270)
(-3 0 ) - (-7 0 )
1200—2 200
300— 1 000
150— 1 300
100— 150
150—350
150—350
150—350
60—250
70—250
П р и м е ч а н и е . В графах „Стойкость* и „Применимость термообработки* данной группы, знаком ± то же большинства материалов данной группы, знаком Т можность термообработки всех материалов данной группы.
В графах „Обрабатываемость* и „Стабильность размеров* обозначены цифплохая, цифрой 3 —удовлетворительная, цифрой 4 —хорошая и цифрой 5 —от- в горячем состоянии, (х) —в холодном состоянии, (п) —в пластифициро-
|
Обрабатываемость |
|
|
|
и |
давлением |
о . |
|
»Я |
|
S |
S |
О |
|
Я |
О) |
* |
|
X |
J3 |
о . |
|
се |
н |
ев |
|
со |
S |
СО |
|
о |
2—3
2—4
3—5
1—3
(Дз)
1—2
3—5 3—5
5 (дв) 2—4
4—5 (г)
3—5 (ДЗ)
2—3 (п)
4—5 (дз)
2—4 (Дз)
2—3 (дз)
4—5 (г)
4—5 (Дв)
2—3
5
2—3
1—2
2—4
4—5
2—4
|
|
|
Продолжение табл. 1 |
|
Применимость термообра ботки |
J |
Стоимость |
|
|
Стабильность размеров1 |
Отходы |
|||
|
|
|
|
при обра |
|
|
|
1 М3, |
ботке |
|
|
1 кг, руб. |
в % |
|
|
|
тыс. руб. |
к весу |
|
|
|
|
|
изделия |
— |
5 |
0,05—50 |
0,1—200 |
|
=Ь |
2—4 |
0,15—1,7 |
0,5—7 |
|
— |
2—3 |
0,01—0,05 |
0,02—0,12 |
|
т |
1—2 |
0,05—0,15 |
0,07—0,22 |
50—400 |
т |
3—4 |
0,34—8 |
0,31— 16 |
5—20 |
т |
3—4 |
0,75— 10 |
1—20 |
— |
Т |
3—4 |
0,6—3 |
0,9—6 |
10—50 |
± |
2—3 |
0,6—20 |
0,6—40 |
0-^10 |
— |
1—2 |
0,8— 10 |
0,72— 15 |
0— 10 |
обозначены знаком 4- стойкость или возможность термообработки всех материалов то же меньшинства материалов данной группы, знаком —нестойкость и невоз-
рой 1 —очень плохая обрабатываемость или стабильность размеров, цифрой 2 — личная обрабатываемость или высокая стабильность размеров, а буквами (г)— ванном состоянии, (дз) —до затвердевания, (дв) —до вулканизации.
36 |
37 |
|
О р г а н и ч е с к и е м а т е р и а л ы — природные, ис кусственные (химически переработанные природные) и синтетические (синтезированные из низкомолекулярного сырья) — превосходят металлы по химической стойкости, а минералы — по способности к деформации, но усту пают им по теплостойкости.
Чтобы усилить преимущества и ослабить недостатки разных групп материалов, применяют композиционные материалы, составленные из компонентов разной приро ды, например резинотканевые, стеклопласты и др.
2. Выбор группы материала
К какой группе должен относиться материал конст рукции, конструктор определяет до начала конструиро вания, как правило, без специальных расчетов, на осно вании соображений о размерах, форме, рабочих темпе ратурах, действующих Нагрузках, способе изготовления и общей стоимости конструкции. Опытный конструктор подходящую группу выбирает сразу же, как только выяс нит назначение, особенности формы и условия изготовле ния конструкции. У недостаточно опытного конструктора выбор основной группы материала может вызвать за труднения. Для решения этой задачи можно воспользо ваться данными табл. 1.
Если технически возможно использование разных групп и ассортимент наличных материалов достаточно велик, выбор определяется наибольшей экономичностью, т. е. наименьшими суммарными затратами на производ ство и эксплуатацию конструкции. При ограниченных возможностях производства решающими при выборе ма териала могут оказаться его технологические характери стики. При ограниченном ассортименте материалов ре-
38
тающим может стать наличие достаточного количества материала, подходящего по техническим и технологиче ским характеристикам. Если группа подходит по всем показателям, кроме стойкости к действию окружающей среды, ее можно выбрать, при условии применения до статочно стойкого покрытия, которое должно подби раться специально (см. стр. 135).
Лишь после выбора г р у п п ы материала возможно конструирование, уточнение способа изготовления и окончательный выбор марки материала.
Глава III
Выбор материала
1, Выбор стали
Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали конструкций делают из углеродистой или легированной стали.
Углеродистая сталь может быть низкоуглеродистой (при содержании углерода до 0,10%), малоуглеродистой
(0,15<С<0,3%), среднеуглеродистой (0,30<С<0,7%) и
высокоуглеродистой (С>0,7%).
Различают углеродистую сталь обыкновенного каче ства (ГОСТ 380-60), качественную конструкционную (ГОСТ 1050-60) и инструментальную качественную и вы сококачественную (ГОСТ 1435-54).
Углеродистая сталь обыкновенного качества чаще маркируется по механическим свойствам в состоянии по ставки. Эта группа включает в себя низкоуглеродистую сталь марок Ст. 1, Ст. 1кп, МСт. 1, МСт. 1кп, КСт. 1, КСт. 1кп, малоуглеродистую сталь марок Ст. 2, Ст. 2кп, Ст. 3, Ст. Зкп, Ст. 4, Ст. 4кп, МСт. 2, КСт. 2, БСт. 3 и др. и среднеуглеродистую сталь марок Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7, МСт. 5, КСт. 5, БСт. 6 и др.
Буквы «кп» означают, что сталь заливается в со стоянии бурного выделения окиси углерода и не содер жит добавки кремния для раскисления. Буквы М, К и Б
40
указывают способ плавки стали, соответственно, в марте новской печи (М), кислородном (К) и воздушном бес семеровском (Б) конверторе.
Сталь обыкновенного качества используется в строи тельных и мостовых конструкциях, в вагоностроении, су достроении и др. Забракованная низко- и малоуглероди стая сталь маркируется Ст. О (МСт. О, КСТ. О, БСт. 0) и идет на неответственные изделия.
Качественная конструкционная углеродистая сталь маркируется по содержанию углерода в сотых долях процента и включает в себя низкоуглеродистую сталь марок 05кп, 08, 08кп, 10 и Юкп, малоуглеродистую ма рок 15кп, 15, 20кп, 25кп, 25, 15Г, 20Г, 25Г, среднеуглеро дистую марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, ЗОГ, 35Г, 40Г
и т. д. до 65Г и высокоуглеродистую марок 70, 75, 80 и 85. Буква Г означает, что сталь содержит повышенное количество марганца — 0,7—1 %'.
Высокоуглеродистая инструментальная сталь марки руется по содержанию углерода в десятых долях процен та и включает в себя качественную сталь марок У7, У8 У9 и т. д. до У13 и более чистую — высококачественную марок У7А, У8А и т. д. до У13А.
Основные недостатки углеродистой стали — малая прокаливаемость и быстрое снижение твердости при на
греве выше 200° С.
Свойства углеродистой стали изменяются термиче ской, химико-термической обработкой и наклепом. Гра ницы изменения свойств стали приведены в табл. 2.
Низколегированная сталь похожа по свойствам на углеродистую, но может закаливаться насквозь в сече ниях толщиной более 20 мм при охлаждении в масле. Автоматная сталь легирована серой с марганцем, фос фором, а иногда и свинцом. Такая сталь обрабатывает ся резанием лучше углеродистой и применяется для
41
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
Возможные значения механических характеристи к |
углеродистой |
стали |
|||||
|
Характеристики |
Низкоуглероди |
Малоуглеродистая |
Среднеуглероди |
Высокоуглероди |
|||||
|
стая сталь1 |
сталь |
стая сталь |
стая сталь |
||||||
Твердость |
наи |
НВ 60— 100 |
НВ 80— 120 |
НВ 100—140 |
НВ 140— 180 |
|||||
Отжиг 900° |
Отжиг 850°- |
Отжиг 800° |
Нормализация |
|||||||
меньшая, кг/мм? |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
900°, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
отжиг 700° |
||
Твердость |
наи |
НВ 150—200 |
НВ 200—250 |
HRC 60—62 |
HRC 62—65 |
|||||
Наклеп |
Закалка 900°, |
Закалка 850°, |
Закалка 760°, |
|||||||
большая |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
отпуск 200° |
отпуск |
150° |
отпуск |
150° |
|
Твердость |
наи |
H RC> 60 |
HRC> 60 |
|
|
|
|
|||
Закалка 760°, |
Закалка 760°, |
|
|
|
|
|||||
большая |
местная |
|
|
|
|
|||||
после цементации |
отпуск 150° |
отпуск 150° |
|
|
|
|
||||
или |
цианирования |
50—80 |
90— 140 |
170— 190 |
200—250 |
|||||
Предел прочности |
||||||||||
при |
растяжении аь |
Наклеп |
Закалка 900°, |
Закалка 850°, |
Закалка 760°, |
|||||
наибольший, кг!мм2 |
40—70 |
отпуск 200° |
отпуск 250° |
отпуск 250° |
||||||
Предел текучести |
60— 120 |
150— 160 |
160—200 |
|||||||
Наклеп |
Закалка 900°, |
Закалка 850°, |
Закалка 760°, |
|||||||
(условный), о0>2 наи |
||||||||||
больший, кг/мм? |
|
отпуск 200° |
отпуск 250° |
отпуск 250° |
||||||
30 |
25—30 |
17—25 |
15—20 |
|||||||
Относительное |
||||||||||
Отжиг |
Закалка 900°, |
Закалка 850°, |
Нормализация |
|||||||
удлинение |
8 |
наи |
||||||||
|
отпуск 650° |
отпуск 650° |
900°, |
|||||||
большее, % |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
отжиг 700° |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
О п т и м а л ь н о е с о ч е т а н и е с в о й с т в п р и д и н а м и ч е с к и х н а г р у з к а х
. Твердость |
|
НВ 170—200 |
НВ 190—250 |
HRC 42—50 |
|
|
|
|
кг\мм3 |
кг!мм2 |
140— 190 |
Предел прочности |
55—65 |
65—85 |
|||
при растяжении аь, |
|
|
|
||
кг/мм2 |
|
|
|
|
|
Предел текучести |
40—45 |
50—60 |
|
||
(УСЛОВНЫЙ) CTq2, |
|
|
|
||
кг\мм2 |
|
|
|
|
2—6 |
Относительное |
25—30 |
17—20 |
|||
удлинение 8, |
% |
|
|
|
|
Ударная вязкость |
20—25 |
15—20 |
6 |
||
ан, кгм1см3 |
|
|
|
||
Обработка, |
обес |
Закалка 900°, |
Закалка 850°, |
Закалка 760°, |
|
печивающая |
опти |
отпуск 600° |
отпуск 600° |
отпуск 300° |
|
мальное |
сочетание |
|
|
|
|
свойств при |
дина |
|
|
|
|
мических |
нагруз |
|
|
|
|
ках |
|
|
|
|
|
Обработка, |
обес |
Закалка 900° Нормализация |
Отжиг 850° |
Нормализация |
|
печивающая |
наи |
900° |
|
900°, |
|
лучшую |
обрабаты |
|
|
отжиг 700° |
|
ваемость |
резанием |
|
|
|
1 В числителе указано значение характеристики, в знаменателе —обработка, при которой дости- ^ гается это значение.
изготовления малонагруженных изделий на автоматиче ских металлорежущих станках.
Среднелегированная сталь по свойствам похожа на низколегированную, но прокаливается еще глубже.
Сталь высоколегированная обладает особыми свой ствами; к ней относятся нержавеющая, окалиностойкая, жаропрочная, немагнитная, быстрорежущая и др.
По назначению различают сталь низколегированную строительную обыкновенного качества (ГОСТ 5058-57), качественную легированную машиностроительную (ГОСТ 4543-61), легированную (ГОСТ 5950-54), быстро режущую (ГОСТ 9373-60), высоколегированную сталь и сплавы с особыми свойствами (ГОСТ 5362-61), пружин ную (ГОСТ 2052-53), шарикоподшипниковую (ГОСТ
801-60), котельную (ГОСТ 5520-62) и др.
Конструкционная, инструментальная, нержавеющая и другие легированные стали маркируются по типу леги рующих элементов, обозначаемых буквами: X — хром, Г — марганец, С — кремний, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, Ю —алюми ний, Д — медь, П — фосфор, Р (не в начале марки) — бор и др. Если содержание элемента больше 1,5%, по сле буквы ставится цифра (не всегда), указывающая его содержание в процентах.
Легированная сталь малоуглеродистая цементируе мая закаливается на высокую прочность. Для получения высокой твердости ее подвергают цементации (насыще нию поверхностного слоя стали углеродом), закалке и низкому отпуску. При содержании углерода 0,3—0,5% легированная сталь у л у ч ш а е м а я закаливается на вы сокую твердость, а после высокого отпуска приобретает высокую ударную вязкость и пластичность и называется
у л у ч ше н н о й . |
Пружинная, шарикоподшипниковая и |
инструментальная |
легированная сталь содержит более |
44