МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

МИКОЛАЇВ2016

1 ЧАСТИНА

ДП «Учбовий центр» ПрАТ «МЕТЦ»

Автор

ТОПАЛОВА

ЛЮДМИЛА ІВАНІВНА

topalova.at.ua

1. МЕТАЛИ ТА ЇХ

ВЛАСТИВОСТІ

2. ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВІ СПЛАВИ

ЗМІСТ

МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО – це наука, що

ВИЗНАЧАЄ БУДОВУ ТА ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

ВСТАНОВЛЮЄ ЗВ'ЯЗОК МІЖ ЇХ СКЛАДОМ, БУДОВОЮ І ВЛАСТИВОСТЯМИ

ВИЗНАЧАЄ ЗАЛЕЖНІСТЬ БУДОВИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ ВІД МЕТОДІВ

ВИРОБНИЦТВА ТА ОБРОБКИ МАТЕРІАЛІВ

ВИЗНАЧАЄ ЗМІНУ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПІД ВПЛИВОМ ЗОВНІШНІХ ЧИННИКІВ:

СИЛОВИХ, ТЕПЛОВИХ, РАДІАЦІЙНИХ та інших

БУДОВА МЕТАЛІВ Зміна властивостей

металів і сплавів визначається особливостями їхньої внутрішньої будови.

У металах і сплавах атоми поєднуються в кристалічні гратки і розташовуються в них у певному порядку.

Тіла, у яких атоми розташовані хаотично, тобто безладно, називаються аморфними. До них відносять клей, пластмаси, скло, смоли і ін.

Багаторазова повторюваність кристалічних граток утворює кристал.

БУДОВА МЕТАЛІВ

Кристалічні гратки металів можуть бути різних типів.

На малюнку показане розташування атомів (іонів) в елементарних кристалічних гратках трьох типів.

а) б)

в)

с

аа

а

ЕЛЕМЕНТАРНІ КРИСТАЛІЧНІ ГРАТКИа — кубічна объемно-центрована, б — кубічна гранецентрована,

в — гексагональна.

ФІЗИЧНІ ХІМІЧНІ

МЕХАНІЧНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ

ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ ТА СПЛАВІВ

ВИЗНАЧАЮТЬ ПОВЕДІНКУ МЕТАЛІВ ПІД ДІЄЮ ЗУСИЛЬ,

ЯКИМ ВОНИ ПІДДАЮТЬСЯ ПРИ ОБРОБЦІ АБО ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ВИЗНАЧАЮТЬ ВІДНОШЕННЯ ДО ХІМІЧНОГО ВПЛИВУ РІЗНИХ

ХІМІЧНИХ СЕРЕДОВИЩ

ВИЗНАЧАЮТЬ ВЛАСТИВОСТІ ЗАЛЕЖНО ВІД ПОДАЛЬШОГО

ЗАСТОСУВАННЯ

ЗДАТНІСТЬ МЕТАЛУ ПІДДАВАТИСЯ РІЗНИМ ВИДАМ

ОБРОБКИ

ДО ОСНОВНИХ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛІВ І

СПЛАВІВ НАЛЕЖАТЬ

•ЩІЛЬНІСТЬ - кількість речовини в одиниці об’єму.•ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕННЯ - температура, при якій метал повністю переходить із твердого стану до рідкого. •ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ - властивість тіла проводити з певною швидкістю тепло при нагріванні. •ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ – властивість металу розширятись при нагріванні.• ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ – властивість металу проводити струм.•НАМАГНІЧУВАННЯ – здатність метала створювати власне магнітне поле або самостійно, або під дією зовнішнього магнітного поля.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ – це властивості металів і сплавів, які визначають відношення до хімічного впливу різних хімічних середовищ.

МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ визначають поведінку металів під дією зусиль, яким вони піддаються при обробці або експлуатації, тобто, здатність метала чинити опір деформації і руйнуванню при дії на нього зовнішніх сил, які прийнято називати навантаженнями.

МЕХАНІЧНІ

ВЛАСТИВОСТІ

МЕТАЛІВ

МІЦНІСТЬ – властивість металу або сплаву чинити опір руйнуванню під дією зовнішніх сил (навантажень).

ПЛАСТИЧНІСТЬ – здатність металу, не руйнуючись, змінювати форму під дією навантаження і зберігати змінену форму після того, як навантаження знято. Пластичність визначають при випробуванні на розтяг. Під дією навантаження зразки різних металів збільшуються, а їх переріз стає меншим. Чим більше подовжується зразок, тим пластичніший метал. Крихкі метали при випробуванні на розрив під дією навантаження руйнуються не змінюючи форми, тобто вони не подовжуються, або воно не значне.

УДАРНА В’ЯЗКІСТЬ – здатність металів і сплавів чинити опір дії ударних навантажень. Ударна в’язкість є важливою характеристикою матеріалів деталей, які в процесі роботи машини піддаються короткочасному навантаженню (колінчасті вали, осі коліс).

ТВЕРДІСТЬ - властивість метала або сплаву чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Часто по виміряній твердості металу роблять висновок про його здатність чинити опір зносу. Наприклад – чим твердіша сталь, тим менше вона зношується

ВИДИ ДЕФОРМАЦІЙ

За характером навантаження поділяють на статичні та динамічні.

Статичне навантаження – навантаження, яке зростає поступово від нуля до деякого максимального значення і далі остається постійним або змінюється несуттєво.

Динамічне навантаження – навантаження, яке виникає в результаті удару, коли навантаження вираховується малими долями секунди.

ВИДИ ДЕФОРМАЦІЙЗміна форми твердого тіла під дією прикладених

до нього зовнішніх сил (навантажень) називається – деформацією тіла.

Деформації, які зникають після усунення навантажень

( тобто матеріал приймає попередні розміри і форму) - пружні.

Деформації, які не зникають після розвантаження – пластичні.

Розрізняють наступні основні види деформацій: 

  

СТИСНЕННЯ; ВИДОВЖЕННЯ;КРУЧЕННЯ; ЗСУВ АБО ЗРІЗ, ЗГИН.

ТЕХНОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Із технологічних властивостей найважливіше значення мають

ОБРОБЛЮЄМІСТЬ ЗВАРЮЄМІСТЬ КОВКІСТЬ ПРОКАЛЮЄМІСТЬ РІДКОТЕКУЧІСТь Для визначення

технологічних властивостей роблять технологічні проби

При виборі металів і сплавів для виготовлення деталей велике значення мають технологічні властивості – тобто здатність металу піддаватися різним видам обробки.

ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОБАМИ - називаються випробування металів, які виконують не складними способами і без ретельного вимірювання властивостей, які досліджують.

Такі випробування мають за мету виявити здатність метала до тих, чи інших деформацій, яким він піддається при роботі або при обробці в холодному або гарячому стані.

Якість метала за технологічними пробами визначають за зовнішнім виглядом після випробування (відсутність надривів, тріщин, розслоєння або злому свідчать про те, що метал витримав пробу).

а – на згин: 1- на певний кут, 2 – до паралельності, 3 – до стикання

сторін.

ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОБИ

б- на навивання проволоки в – на сплющування г- на згинання труби

СПЛАВИ Технічно чисті метали у

виробництві використовуються рідко. Чисті метали, як правило, пластичні, але мають низьку міцність і твердість, які до того ж у значній мірі залежать від температури.

Тому в техніці застосовують головним чином сплави металів, що уявляють собою кристалічні тіла, що складаються з декількох металів, іноді з додаванням неметалів.

Добавка до основного металу інших металів змінює властивості сплаву, наприклад, поліпшується оброблюваність, підвищуються міцність і твердість, здатність протистояти високим температурам, дії кислот.

Сплави часто мають більш низьку температуру плавлення і більш високу твердість, ніж чисті метали: чисте залізо має невисоку міцність - воно м'яке, але в сплаві з вуглецем утворює вуглецеву сталь, що після термічної обробки набуває нові якості - високу твердість, пружність і міцність.

ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВІ СПЛАВИ Залізовуглецевими

сплавами називаються сплави заліза з вуглецем і деякими іншими елементами (марганцем, фосфором, сіркою і ін.).

Процеси одержання залізовуглецевих сплавів називаються металургійними.

Залежно від змісту вуглецю залізовуглецеві сплави підрозділяються на дві групи — чавуни і сталі.

ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВІ СПЛАВИ

СТАЛІ ЧАВУНИ

Якщо в залізовуглецевому сплаві втримується до 2,14% вуглецю, то його називають сталлю, якщо більше 2,14 % вуглецю, називають чавуном.

ВІДОМОСТІ ПРО ЧАВУН

ЧАВУН – залізовуглецевий сплав із вмістом вуглецю понад 2,14%(заліза до 92%).

Домішок – сицилію 4,3%, мангану 2%, сірки 0,07%, фосфору 1,2%.

 

Чавун виробляють у доменних печах, розплавленням шихти, яка складається із: залізної руди, палива та флюсів, з використанням гарячого повітря.

Із руди відновлюється залізо і сполучається з вуглецем та іншими елементами.

ДОМЕННА ПІЧ – це шахтна піч безперервної дії, виготовлена з вогнетривкої цегли і покрита кожухом з листової сталі завтовшки до 35 мм. Ця складна інженерна споруда має висоту 35-100 м, корисний об’єм до 5000 м3 і продуктивність до 6000 т за добу.Піч працює без зупинки до капітального ремонту на протязі багатьох років.

Доменна піч складається з п’яти основних частин: колошника, шахти, розпару, заплечників, горна.

Шлак використовують як будівельний матеріал для виготовлення цегли, брущатки, шлакоблоків, шлаковати тощо.Доменний колошниковий газ після очищення від пилу використовують як теплоносій.

ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

Для виплавлення чавуну залізну руду, паливо та флюси завантажують у доменну піч порціями по 4-6 тонн, у міру плавлення руди та випускання чавуну.

Шихта надходить до шахти, де руда підсушується і відновлюється залізо. У розпарі починається розплавлення металу і утворення шлаку, під дією гарячого повітря.

Чавун і шлак, які утворилися в печі, випускають через льотки: чавун – через 1.5…2 години, шлак – через 1 годину. Льотки призначені для випускання через них чавуну та шлаку.

Чавун виливають у спеціальний ківш місткістю 60 – 100 тон для вивезення його з доменного цеху на подальшу переробку.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЧАВУНУВХІДНІ ДО СКЛАДУ ЧАВУНУ ЕЛЕМЕНТИ

ВИЗНАЧАЮТЬ ЙОГО СТРУКТУРУ І ВЛАСТИВОСТІ. ВУГЛЕЦЬ - найважливіша складова чавуну. Якщо вуглець

перебуває в сплаві у вільному стані у вигляді графіту, то чавун стає м'яким і добре обробляється різанням. Якщо вуглець перебуває у вигляді цементиту, тобто в хімічно пов'язаному із залізом стані, то чавун має високу твердість і погано обробляється.

КРЕМНІЙ є найважливішої після вуглецю домішкою в чавуні, сприяє виділенню вуглецю у вигляді графіту. Він збільшує рідкотекучість чавуну при заливанні і поліпшує ливарні властивості чавуну, робить чавун більш м'яким.

МАРГАНЕЦЬ впливає на чавун у напрямку, зворотному кремнію, тому що зв'язує вуглець у вигляді цементиту. При невеликому змісті (до 1%) марганець дуже корисний, тому що підвищує міцність чавуну. Марганець сприяє видаленню сірки із чавуну, утворюючи сірчистий марганець, що спливає на поверхню рідкого металу і іде в шлак. Цим частково нейтралізується дія сірки.

ШКІДЛИВІ ДОМІШКИ ЧАВУНУСІРКА в чавуні є шкідливою домішкою, тому що викликає явище

червоноломкості, що полягає в тім, що у виливках у гарячому стані утворюються тріщини. Крім того, присутність сірки погіршує рідкотекучість чавуну, тому що робить його густим, внаслідок чого він погано заповнює форму.

Сірка попадає в чавун з руди і золи палива (коксу) під час плавки. Видалення сірки при виплавці чавуну досягається додаванням вапняку, що частково з'єднується із сіркою і переходить у шлаки. Однак деяка кількість сірки завжди залишається в чавунах.

У переробних (білих) чавунах, призначених для виробництва сталі, сірки не повинно бути більше 0,08%, а в ливарних чавунах — не більше 0,06%.

ФОСФОР знижує механічні властивості . Для машинобудівного лиття фосфор є шкідливою домішкою. Зміст фосфору у відповідальних виливках допускається до 0,1%, у менш відповідальних — до 1,2%.

Фосфор у певній кількості підвищує рідкотекучість чавуну. Завдяки цьому фосфористий чавун з успіхом застосовується для

виготовлення чавунного лиття, від якого не потрібно високих механічних властивостей, наприклад для виробництва художнього лиття.

Крім вищевказаних домішок у чавун уводять спеціальні (легуючі) елементи. Такі чавуни називаються легованими.

ВИДИ ЧАВУНУ

Порівняно з сталями чавуни мають нижчі механічні властивості, але значно кращі технологічні – ливарні, оброблювання різанням, антифрикційні, зносостійкість. Це зумовлює широке використання чавуну для виготовлення багатьох деталей у різних галузях машинобудування.

Найбільша кількість чавуна поступає на виробництво сталі, а деяка частина домнового чавуна поступає в виробництво чавунних виливок.

 В залежності від хімічного складу і призначення домнові чавуни поділяються на:

 ПЕРЕРОБНИЙ  СПЕЦІАЛЬНИЙ  ЛИВАРНИЙ

Переробний чавун (П)

Спеціальні чавуни

(феросплави)

Ливарний чавун

•Використовують в сталеплавильному і ливарному виробництві

•П1,П2- сталеплавильний•ПЛ1,ПЛ2 - ливарне виробництво•ПФ1,ПФ2,ПФ3 - фосфористий•ПВК1,ПВК2,ПВК3 - високоякісний

•Виплавляються з високим процентом кремнію або марганця

•Застосовують в якості спеціальних добавок при виплавленні сталі

•Призначений для виготовлення виливок

ВИДИ ЧАВУНУ

В залежності від того, в якому стані і формі знаходиться вуглець, чавуни поділяють на:

ВИД ЧАВУНУ ВЛАСТИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ МАРКУВАННЯ

БІЛИЙ ЧАВУН Має матово-білий колір,висока твердість, крихкість, практично не обробляється різанням

В машинобудуванні практично не використовується; переробляють на ковкий чавун

-

ВІДБІЛЕНИЙ ЧАВУН

Висока поверхнева твердість, стійкість проти спрацьовування

Виготовлення прокатних валків, колеса залізничного транспорту

-

СІРИЙ ЧАВУН Найдешевший конструкційний матеріал; високі ливарні властивості; добре оброблюється різанням; чинить опір зносу

Виготовляють виливки, станини верстатів, кришки люків, блоки циліндрів, поршні, зубчасті колеса, гальмівні колодки

СЧ10,СЧ15,СЧ20, СЧ25,СЧ30,СЧ35, СЧ40,СЧ45, СЧ18-36СЧ- сірий чавун18- границя міцності на розтяг, в кг/мм2

36- границя міцності при згинанні, в кг/мм2

КОВКИЙ ЧАВУН

Висока в’язкість, одержують в процессі відпалювання білого

Фітінги трубних з’єднань, тонкостінні деталі(10-12)мм, шестерні, високоміцні деталі для змінних ударних навантажень

КЧ45-6,КЧ50-4,КЧ56-4,КЧ60-3,КЧ63-2,КЧ37-2КЧ- ковкий чавун45- границя міцності на розрив, в кг/мм2

6- відносне видовження, в %ВИСОКО-МІЦНИЙ ЧАВУН

Високі механічні властивості, здатність чинити опір крихкому руйнуванню, підвищена міцність

Деталі машин, що працюють в умовах значних навантажень. Ковальсько-пресове обладнання, прокатні стани, парові турбіни, трактори, автомобілі

ВЧ35,ВЧ40,ВЧ45,ВЧ50,ВЧ60,ВЧ80,ВЧ100,ВЧ38-17,ВЧ42-12,ВЧ50-2,ВЧ60-2ВЧ- високоміцний чавун38- границя міцності на розрив, в кг/мм2

17- відносне видовження, в %

ЧАВУН МІСТИТЬ :ВУГЛЕЦЮ 2,0 - 4,3%;КРЕМНІЮ 0,5 - 4,25%;МАНГАНУ 0,2 - 2,0%;

СЧ 18 - 36

ГРАНИЦЯ МІЦНОСТІ НА РОЗТЯГ, кг/мм2

ЛЧ 32 - 52ГРАНИЦЯ МІЦНОСТІ ПРИ ЗГИНАННІ

ЛЕГОВАНИЙ ЧАВУН

СІРИЙ ЧАВУНГРАНИЦЯ МІЦНОСТІ ПРИ ЗГИНАННІ

ГРАНИЦЯ МІЦНОСТІ НА РОЗТЯГ, кг/мм2

СІРКИ 0,02 - 0,20%;ФОСФОРУ 0,1 - 1,20%.

СТАЛЬ ВУГЛЕЦЕВІ

• Вуглецевою називають сталь, властивості якої в робочих умовах визначаються в основному вмістом в ній вуглецю. Крім заліза і вуглецю, ці сталі мають манган (до 0,8%), кремній (до 0,4 %), а також шкідливі домішки – сірку (до 0,04%) і фосфор (до 0,035%).

ЛЕГОВАНІ• Легованою називають сталь, властивості якої в

робочих умовах визначаються як вмістом в ній вуглецю, так і вмістом інших елементів, спеціально введених в її склад. В залежності від вмісту легуючих добавок сталі поділяють на 3 групи:

• низьколеговані – вміст добавок менше 2,5 %• середнє леговані – вміст легуючих добавок від

2,5 до 10%• високолеговані – вміст заліза в яких більше

45%, а сумарний вміст легуючих елементів не менше 10%.

СТАЛЬ – СПЛАВ ЗАЛІЗА З ВУГЛЕЦЕМ ТА ІНШИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ ПРИ ВМІСТІ ВУГЛЕЦЮ ДО 2,14%.

За хімічним складом сталі поділяють на

КЛАСИФІКАЦІЯ СТАЛЕЙ

•застосовують для виготовлення будівельних металоконструкцій, деталей машин і апаратів для роботи при температурах не вище 4500 і в неагресивних середовищах.

КОНСТРУКЦІЙНІ

•призначені для виготовлення різального і вимірювального інструмента.ІНСТРУМЕНТАЛЬ

НІ

•призначені для роботи в певних спеціальних умовах, наприклад при підвищених температурах, в агресивних середовищах.

СПЕЦІАЛЬНІ

ЗА ПРИЗНАЧЕННЯМ СТАЛІ ПОДІЛЯЮТЬ НА

Вид сталі Призначення Маркування ПоясненняСТАЛЬ

ЗВИЧАЙНОЇ ЯКОСТІ

Виготовлення сортового та листового прокату, цвяхів,болтів, труби,невідповідальні конструкції.

Групи А,Б,В (в позначенні група А не пишеться). За ступенем розкислення : кп – кипляча, пс – напівспокійна, сп – спокійна.Ст0,Ст1кп,Ст2сп, Ст3пс, Ст3Гсп, Ст6пс, Ст5Гпс.

Ст – сталь звичайної якості0…6 - № марки залежно від хімічного складу і механічних влстивостейСт0 – сталь звичайної якості марки 0Ст1кп – сталь звичайної якості марки 1 киплячаСт3Гсп – сталь звичайної якості з вмістом мангану близько 1% спокійна

ЯКІСНА СТАЛЬ Балки, осі, залізничні рейки.

05кп, 08, 10кп,15кп, 15пс, 15, 20, 25, 30, 55пп, 70, 75, 80, 85.(вміст вуглецю – 0,05 – 0,9)

Двозначне число показує вміст вуглецю в відсоткахпп – понижена прогартованість05кп – сталь якісна вміст вуглецю 0,05%80 – сталь якісна вміст вуглецю 0,8 %15 – сталь якісна вміст вуглецю 0,15%

ВИСОКОЯКІСНА СТАЛЬ:

ВУГЛЕЦЕВА ІНСТРУМЕНТАЛЬ

НА

інструменти У7А, У8ГА, У8ГА, У13А.(вміст вуглецю – 0,65-1,35)

У – сталь інструментальна; А – високоякісна; Ш (в кінці) – особливо високоякісна.

СТАЛІ ВУГЛЕЦЕВІ СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Працюють в умовах значних навантажень, тиску, використовують для зварювальних з’єднань.

А12, А20, А30, А40, А40Г А12 (виготовляють відповідальні вироби)А – сталь вуглецева автоматна;12 – вміст вуглецю в сотих %

ЛЕГОВАНІ СТАЛІ Вали, осі, труби з високою міцністю, деталі машин, підшипники.

9ХС, 9ХВГ, Х12Ф1, 30ХГСН2, 95Х18Ш, ХВГ, 20Х2МФА, 40Г2, 33ХС, ХВ5(сама тверда інструментальна сталь), 15Г, 20Г(трубопровідна арматура, трубопроводи, вали).

9ХС – легована сталь вміст вуглецю 0,9%, хрому 1%, сицилію 1%;95Х18Ш – легована сталь, вуглецю 0,95%, хрому 18%, Ш – особливо високоякісна.ХВГ – хромовольфрамоманганова.

ШВИДКОРІЗАЛЬНІ СТАЛІ

Фасонні, різьбові і відрізні різці; фрези, свердла, мітчики.

Р18, Р12, Р9, Р6АМ5, Р12Ф3, Р6М5К5, Р9К5

Р18 – Р - швидкорізальна, 12%-вольфраму (вольфрамова). Р12Ф3 – вольфрамованадієва, вольфраму 12%, ванадію 3%.

ШАРИКОПІДШИПНИКОВА

Деталі підшипників ШХ6, ШХ9, ШХ15 Ш – шарикопідшипникова.СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Ж – хромиста нержавіюча Я – хромонікелева

СТАЛІ З ОСОБЛИВИМИ

ВЛАСТИВОСТЯМИ

Нержавіючі: лопатки турбін, хірургічний інструмент, клапани насосів.

1Х13, 2Х13, 3Х13 Кількість хрому в нержавіючих сталях – не менше 12%.

Магнітні: трансформатори, реле.

ЕХ5К5, ЕХ9К15М2, Е - електротехнічна

КЛАСИФІКАЦІЯ ТА МАРКУВАННЯ СТАЛЕЙ

СТАЛЬ МІСТИТЬ КРІМ ЗАЛІЗА І ВУГЛЕЦЮ МАНГАН (ДО 0,8%), А ТАКОЖ ШКІДЛИВІ ДОМІШКИ – СІРКУ (ДО 0,04%) КРЕМНІЙ (ДО 0,4 %), І ФОСФОР (ДО 0,035%).

Ст3Гсп

75 - ЯКІСНА СТАЛЬ, ВМІСТ ВУГЛЕЦЮ – 0,75%

СТАЛЬ ЗВИЧАЙНОЇ ЯКОСТІ

МАРКИ 3

З ПІДВИЩЕНИМ ВМІСТОМ МАНГАНУ

СПОКІЙНА

УСПІХІВ У НАВЧАННІ!