10162
.pdfВ. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Нижний Новгород
2018
0
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Нижний Новгород ННГАСУ
2018
1
ББК 38.34
М 94 К 64
Рецензенты:
А. А. Хлыбов – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения, технологии материалов и технической обработки металлов НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Е. А. Чернышов – д-р техн. наук, профессор кафедры металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Мыльников В. В. Металлические материалы, применяемые в строительном машиностроении [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин; Нижегор. гос. архитектур.- строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 148 с.
1электрон. опт. диск (CD-R); ISBN 978-5-528-00304-7
Изложены общие сведения о металлах и сплавах, используемых в строительных машинах и оборудовании, рассмотрено атомно - кристаллическое строение, анизотропия, полиморфизм, процессы кристаллизации и способ построения диаграмм состояния двойных сплавов, диаграмма железо – цементит (Fe – Fe3C). Особое внимание уделено процессам, протекающим при нагреве и охлаждении сталей. Также приведены методы термической, термомеханической и химико-термической обработки наиболее применяемых в строительном машиностроении конструкционных сталей, методики определения механических свойств металлических материалов. Описаны общие принципы выбора и применения металлических материалов для деталей машин и конструкций.
Предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Строительные машины и оборудование», «Динамика и прочность машин», «Металловедение».
ББК 38.34
ISBN 978-5-528-00304-7 |
© В. В. Мыльников, |
|
О. Б. Кондрашкин, 2018 |
|
© ННГАСУ, 2018 |
|
2 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………………………………………..5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ………………………………………………….6
1.1.Классификация металлов и сплавов………………………………..6
1.2.Атомно-кристаллическое строение и свойства металлов………..12
1.2.1.Основные типы кристаллических решеток……………………..12
1.2.2.Реальное строение металлических кристаллов…………………14
1.2.3.Анизотропия кристаллов…………………………………………19
1.3.Кристаллизация металлов…………………………………………..20
1.4.Физико-механические и технологические свойства……………...24
1.5.Хрупкое и вязкое разрушение……………………………….…......29
Контрольные вопросы…………………………………………………..34
2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СПЛАВОВ………………..35
2.1.Построение кривых охлаждения…………………………………...35
2.2.Аллотропия (полиморфизм) металлов…………………………….38
2.3.Основные сведения о сплавах……………………………………...39
2.4.Метод построения диаграмм состояния двойных сплавов………43
2.5.Типовые диаграммы состояния двойных сплавов………………..48
2.6.Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы
состояния…………………………………………………………….59
Контрольные вопросы…………………………………………………..61
3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ (Fe-Fe3C)…61
3.1.Железо и его соединения с углеродом…………………………….61
3.2.Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (Fe-Fe3C)………..65
3.3.Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей
и чугунов…………………………………………………………… 68
Контрольные вопросы…………………………………………………..73
4. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ……………….74
3
4.1.Общие сведения о классификации и получении сталей…………74
4.2.Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей…77
4.3.Классификация и маркировка сталей и чугунов………………….80
4.4.Характеристика конструкционных сталей………………………..85
4.5.Высококачественные конструкционные стали и область их применения………………………………………………………….95
4.6.Особо высококачественные конструкционные стали и область
их применения……………………………………………………...97
Контрольные вопросы………………………………………...………...99
5. ВИДЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ………....99
5.1. Основы теории термической обработки…………………………..99 5.2. Термическая и термомеханическая обработка…………………..102 5.3. Химико-термическая обработка………………………………….107 5.4. Защита металлов и сплавов от коррозии…………………………112
Контрольные вопросы…………………………………………………114 6. ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ……………………….114
6.1.Определение твердости…………………………………………...115
6.2.Испытание на растяжение………………………………………...122
6.3.Испытание на изгиб……………………………………………….126
6.4.Определение ударной вязкости…………………………………..129
6.5.Испытание на усталостную прочность и долговечность конструкционных материалов…………………………………….136
6.5.1.Испытание на циклический чистый изгиб……………………..139
6.5.2.Испытание на циклический плоский поперечный изгиб……..141
6.5.3.Испытание на консольный изгиб вращающихся образцов…...143
Контрольные вопросы…………………………………………………145
Заключение……………………………………………………………..146
Библиографический список……………………………………………147
4
ВВЕДЕНИЕ
В инженерной практике вопросы выбора конструкционных материа-
лов играют огромную роль. При этом повышение прочности и долговеч-
ности деталей машин и конструкций является первоочередной задачей в технологическом процессе. Поэтому знание структурообразования и фазовых превращений в металлах и сплавах является необходимым для подготовки специалистов технических и строительных специальностей.
Современное состояние дисциплины позволяет говорить о том, что правильный выбор известных и новых материалов совершенно невоз-
можно проводить без знания физико-химических закономерностей и вопросов структурообразования. Появление же в машиностроении новых металлов и сплавов заставляет глубже изучать указанную дисциплину.
Целью настоящего пособия является оказание помощи студентам при подготовке лабораторных и практических работ, а также для само-
стоятельного изучения.
5
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1.Классификация металлов и сплавов
Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определѐнном геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы.
Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и элек-
тропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением
(прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.
Существует такое определение как «чистый металл», оно весьма условно, так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001%. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %).
Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существен-
ное влияние на свойства металла.
Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой проч-
ностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и техноло-
гических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью,
твердостью и износостойкостью и т.д.
Сплавами называются сложные вещества, полученные сплавлением
6
нескольких элементов. Сплав – макроскопически однородный металличе-
ский материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).
Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов.
Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250
МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.% прочность повышается до 980 МПа.
Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы:
черные (к ним относят железо и сплавы на его основе) и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В машиностроении в основ-
ном применяют черные металлы – чугуны и стали для изготовления осей,
валов, шестерен, подшипников и для других металлических конструкций и изделий.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорого-
стоящими и дефицитными.
Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на вос-
становлении железа из его природных оксидов коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное же-
лезо соприкасается с коксом и превращается в чугун.
Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита) и белые (угле-
род в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его
образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Харак-
7
терные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах приведены на рис. 1.1. Существуют государственные стандарты,
регламентирующие разновидности чугуна. Основные из них показаны в таблице 1.1.
Рис. 1.1. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а – пластинчатая, б –
шаровидная, в – вермикулярная, г – хлопьевидная (компактная)
Таблица 1.1. Перечень основных разновидностей чугунов по государ-
|
ственным стандартам |
|
|
№№ |
Наименование стандарта |
ГОСТа |
|
|
|
1215-79 |
Отливки из ковкого чугуна. Общие технические ус- |
|
ловия. |
1412-85 |
Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Мар- |
|
ки. |
1585-85 |
Чугун антифрикционный для отливок. Марки. |
7293-85 |
Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки. |
7769-82 |
Чугун легированный для отливок со специальными |
|
свойствами. Марки. |
28394-89 |
Чугун с вермикулярным графитом для отливок. |
|
Марки. |
|
|
Стали можно подразделить на две основные группы – углероди-
8
стые и легированные (рис. 1.2).
Углеродистые стали – основной конструкционный материал, кото-
рый используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.
Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения заданных свойств. По степени легированности стали подраз-
деляются на низколегированные, средне - и высоколегированные.
Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную, конструкционную и сталь высококачественную.
По назначению стали подразделяются на три группы: конструкцион-
ные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные угле-
родистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что многие э л е м е н т ы конструк-
ций и деталей машин соединяются сваркой, а углерод ухудшает свари-
ваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, исполь-
зуют для изготовления режущего и ударного инструмента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие,
нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т.д. Перечень государственных стандартов основных разновидностей ста-
лей приведен в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Перечень основных разновидностей сталей по государ-
9