Морозова И

Морозова И.Г.
Детали машин и основы конструирования.
Стали и чугуны для деталей силовых редукторов и мультипликаторов.
Учебное пособие для выполнения домашних заданий и курсового проектирования
В электронном учебном пособии представлены материалы, посвященные сталям и
чугунам, применяемым в общем машиностроении при производстве таких достаточно
сложных конструкций, как редукторы и мультипликаторы. Подбор информации
осуществлен на основе учебных программ. Пособие предназначено для студентов,
обучающихся по направлению 150100 «Металлургия».
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение _________________________________________________________ 3
1. Определения и понятия____________________________________________4
2. Классификация конструкционных сталей ____________________________5
3. Маркировка сталей _______________________________________________6
4. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества_________ 8
5. Конструкционные углеродистые качественные стали___________________11
6. Шарикоподшипниковые стали______________________________________13
7. Конструкционные легированные стали_______________________________14
8. Серые чугуны, применяемые в общем машиностроении_________________18
8.1.
Структуры чугунов. Форма графита.
8.2.
Свойства чугунов. Влияние примесей.
8.3.
Марки серых чугунов.
9. Аспекты выбора материалов для деталей машин ________________________28
10. Методы определения свойств металлических материалов _________________28
2
Введение
Снижение материалоемкости конструкции – важный источник повышения
эффективности общественного производства. Существует ряд способов экономии
материалов

выбор оптимальной схемы машины и узла;

уточнение расчетов и снижение коэффициентов безопасности;

выбор оптимальных типов и конструктивных исполнений деталей;

выбор оптимальных материалов и их термической обработки;

применение прогрессивных технологий и приближение форм деталей к формам
наиболее простых и дешевых заготовок
Правильный выбор материалов для создания машин и механизмов позволяет не только
сэкономить ресурсы, но и создать наиболее работоспособную конструкцию.
3
1. Определения и понятия
Сталь – сплав железа с углеродом при содержании углерода менее
2% и другими
легирующими элементами.
Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2% и другими
легирующими элементами.
Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в
сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических
свойств.
Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co,
Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также
P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и др. Перечисленные элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi
могут быть также применены в стали. Содержание легирующих элементов в стали может
колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.
Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе
ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых
материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими
пределами: Mn≤0,8%, Si≤0,4%, Cr≤0,3%, Ni≤0,3%, Cu≤0,3%, Mo≤0,10%, W≤0,2%, P≤0,0250,040%, S≤0,015-0,050%.
Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же
химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и
роли в стали.
Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых
специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах
производства и обработки требуемую структуру и свойства.
4
2. Классификация конструкционных сталей
Существуют несколько признаков классификации машиностроительных сталей:
 по составу: углеродистые, легированные;
 по обработке: улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситностареющие и т.д.;
 по назначению: пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.п.
Нет единой классификации сталей.
Существует много признаков, по которым классифицируют, стали, но зачастую и
они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.
Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления
различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве
и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяют на:
•
строительные;
•
машиностроительные;
•
стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые,
•
жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.
Основные требования к конструкционным машиностроительным сталям:
•
высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным сочетанием
прочности, вязкости и пластичности;
•
необходимые технологические свойства – хорошая обрабатываемость давлением,
резанием и свариваемость, малая склонность к образованию трещин, короблению,
обезуглероживанию при термической обработке;
•
специальные
свойства:
износостойкость,
теплоустойчивость,
определенные
физические свойства и т.д.
По качеству стали подразделяют на:
5
 стали обыкновенного качества;
 качественные стали;
 высококачественные стали;
 особовысококачественные стали.
Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по
химическому составу и, прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как
фосфора и серы.
Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях
разной категории качества (таблица 2.1.):
Таблица 2.1.
Содержание серы и фосфора в сталях разной категории качества.
≤Р
≤S
Обыкновенного качества……
0,040
0,050
Качественная………………….
0,035
0,035
Высококачественная…………
0,025
0,025
Особовысококачественная…..
0,025
0,015
Категория обыкновенного качества может относится только к углеродистым
сталям. Все остальные категории качества могут, относится к любым по степени
легирования сталям.
3. Маркировка сталей
В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и
сплавов.
6
Конструкционные
углеродистые качественные стали обозначают двухзначным
числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента
(например, 05; 08; 10; 15; 20; 25 ... 80; 85).
Для сталей, полностью не расчисленных (при С < 0,20%), в обозначение
добавляются индексы: КП - кипящая сталь, ПС - полуспокойная сталь (например,
15кп, 20пс). Для спокойных
сталей
индекс не
указывается. Углеродистые
инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой,
указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7;
У8; У9; УI0; У11; У12; У13).
Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество
того или иного элемента округленное до целого числа. При среднем содержании
легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят.
Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали)
или десятых (инструментальные стали) долях процента.
Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42 – 0,50 % С; 0,5 – 0,8 % Mn; 0,8 – 1,0 %
Cr; 1,3 – 1,8 % Ni; 0,2 – 0,3 % Mo и 0,10 – 0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ.
Буква
«А»
в
конце
марки
указывает,
что
сталь
относится
к
категории
высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки, то сталь
легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь
автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки
указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).
Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце
марки буквы «Ш» (30ХГС-Ш или 30ХГСА-Ш).
Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относятся к категории
качественных (30ХГС).
7
За рубежом маркировка сталей осуществляется иначе. Примеры маркировки
зарубежных сталей приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Трансляция российских марок сталей
Россия
Германия
Франция
США
Япония
10
С10
XC10
1010
S9CK
50ХФ
50CrV4
50CV4
6150
SUP5
У8
C80W1
XC80
W1-0,8C
SK5
Р18
X72WCrV1865
Z80W18
T1
SKH2
12Х13
X10Cr13
Z12C13
410
SECI
12Х18Н9
X12CrNi18-8
Z12CN18-8
302
SEC7
4.
Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества
Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества в зависимости от
назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяются на три группы: А, Б,
В.
Стали группы А поставляют с регламентируемыми механическими свойствами.
Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто
применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке.
Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом, без
гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых
горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные
механические свойства определяются самой обработкой.
8
Стали группы В поставляют с регламентируемыми механическими свойствами и
химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных
металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а
механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы
В дороже, чем стали группы А и Б, их применяют для ответственных изделий.
Углеродистые
стали
обыкновенного
качества
бывают
спокойными
(сп),
полуспокойными (пс), и кипящими (кп). В их составе разное содержание кремния, %:
 спокойные 0,12 – 0,30;
 полуспокойные 0,05 – 0,17;
 кипящие ≤ 0,07.
Каждая марка стали может иметь различную категорию в зависимости от количества
нормируемых показателей химического состава и механических свойств.
Обозначаются углеродистые стали обыкновенного качества буквами «Ст», за
которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее
содержание углерода в ней, хотя с повышением номера от Ст 1 до Ст 6 содержание
углерода в стали увеличивается. Группы Б и В указывают впереди марки. Группа А в
обозначении марки не указывается. Для обозначения степени раскисления после номера
марки добавляют один из индексов сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме
категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойные стали могут иметь
повышенное содержание марганца (до 1,2 %). В этом случае после номера стали ставится
буква «Г».
ВСт3сп5 означает, что сталь Ст3 спокойная, группы В, категории 5 (нормируемыми
для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивлении
е при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном
состоянии, ударная вязкость при -20°С и после механического деформационного
старения).
9
Ст2кп означает что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемые
показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение).
БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием
марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержание C, Mn, Si, P, S, As, N, Cr, Ni,
Cu).
Химический состав конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества
приведен в таблице 4.1., их свойства в таблице 4.2, а примеры применения - в таблице 4.3.
Таблица 4.1.
Химический состав конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества
Марка стали
С%
S≤
P≤
Ст 0
≤0,23
0,07
0,055
Ст1
0,06-0,12
0,045
0,055
Ст2
0,09-0,15
0,045
0,055
Ст3
0,14-0,22
0,045
0,055
Ст4
0,18-0,27
0,045
0,055
Ст5
0,28-0,37
0,045
0,055
Ст6
0,38-0,49
0,045
0,055
Ст7
0,50-0,62
0,045
0,055
Таблица 4.2.
Свойства конструкционных углеродистых спокойных и полуспокойных сталей
обыкновенного качества
Группа А
Марка σВ, МПа σТ, МПа
δ, %
Изгиб на 180°
стали
(а – толщина образца,
не менее
d - диаметр оправки)
310
—
23
d – 2а
Ст0
320 – 420
—
34
d–0
Ст1
340
–
440
230
32
d–0
Ст2
380 – 490
250
27
d – 0,5а
Ст3
420 – 540
270
24
d – 2а
Ст4
500 – 640
290
20
d – 3а
Ст5
600
320
15
—
Ст6
Группа Б
С, %
Mn, %
≤ 0,23
0,06 – 0,12
0,00 – 0,15
0,14 – 0,22
0,18 – 0,27
0,28 – 0,37
0,38 – 0,49
—
0,25 – 0,50
0,25 – 0,50
0,40 – 0,65
0,40 – 0,70
0,50 – 0,80
0,50 – 0,80
Примечание: в таблице указывается лишь содержание основных элементов, а не полный марочный
химический состав
10
Таблица 4.3.
Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества
Марка
стали
Ст0; Ст1
Ст2
Ст3
Ст4
Ст5
Ст6, Ст7
Применение
Второстепенные элементы конструкций и неответственные детали, :настилы,
арматура, шайбы, перила, кожухи и т. д.
Неответственные детали, требующие повышенной пластичности,
малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных
нагрузках и положительных температурах.
КП – малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие в
интервале температур Т°С от -10 до +400°С; СП – фасонный и листовой прокат –
несущие элементы сварных конструкций, работающие при переменных
нагрузках в интервале температур от -40 до +425°С
ПС – сварные, клепаные, болтовые конструкции повышенной прочности в виде
сортового проката, а также для малонагруженных валов, осей, втулок и др.
ПС, СП - детали клепаных конструкций, болты, гайки, втулки, упоры, штыри,
пальцы и т.д., работающие в интервале температур от 0 до +425°С.
ПС, СП – детали повышенной прочности – оси, валы, пальцы, поршни, шпонки и
т. д.
5. Конструкционные углеродистые качественные стали
Марки углеродистых качественных сталей: 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55;
60.
Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях
процента.
11
Пример химического состава (содержания углерода и примесей) в качественной
конструкционной углеродистой стали, представлен в таблице 5.1, механические свойства
углеродистых качественных сталей приведены в таблице 5.2., а примеры их применения –
в таблице 5.3.
Таблица 5.1
Содержание углерода и примесей в стали 30.
Марка C
стали
Mn
Сталь 0,27- 0,5030
0,35 0,80
Si
P
≤
S
≤
Cr
≤
0,170,37
0,035 0,04 0,25
Ni
≤
Cu
≤
As
≤
0,25
0,25 0,08
Таблица 5.2.
Механические свойства конструкционных углеродистых качественных сталей для
деталей механизмов
Группа
сталей
Углеродистые
стали
качественные
Марка
стали
10
20
30
40
45
50
σв, МПа
340-420
420-500
500-600
580-700
610-750
640-800
Механические характеристики
στ, МПа
σ-1р, МПа
σ-1, МПа
τ-1, МПа
210
120-150
160-220
80-120
250
120-160
170-220
100-130
300
170-210
200-270
110-140
340
180-240
230-320
140-190
360
190-250
250-340
150-200
380
200-260
270-350
160-210
НВ
137
156
179
187-217
197-241
207-241
Таблица 5.3.
Применение конструкционных углеродистых качественных сталей
Марка
стали
Применение
Сталь 15 Заменитель: стали 10, 20. Болты, винты, крюки и др. детали, к которым
предъявляются требования высокой пластичности и работающие при
температуре от -40 до 450°С. После ХТО – кулачки, гайки и др. детали с
высокой поверхностной твердостью.
Сталь 30 Заменитель: стали 25 и 35.Рычаги, валы, соединительные муфты и др.
детали невысокой прочности.
12
Сталь 40 Заменитель: стали 35 и 45. После ТО: коленчатые валы, шатуны, зубчатые
колеса, оси и др. После ТВЧ: средних размеров валики, зубчатые колеса и
др.
Сталь 50 Заменитель: стали 45 и 55. После ТО: зубчатые колеса, прокатные валки,
тяжелонагруженные валы и оси, миалонагруженные пружины и рессоры и
т.д.
Сталь 60 Заменитель: сталь 55. Цельнокатаные колеса вагонов, рабочие валки
листовых станов для горячей прокатки, диски сцепления и др., т.е. детали
с высокой прочностью и износостойкостью.
6. Шарикоподшипниковые стали
Шарикоподшипниковая сталь, прежде всего, должна обладать высокой твердостью,
поэтому применяют
высокоуглеродистые
стали
типа
инструментальной
(иногда
низкоуглеродистые в цементованном состоянии).
Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. имела низкую
критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы
применять масло, сталь легируют (обычно) хромом. Государственный стандарт
предусматривает четыре основные марки шарикоподшипниковой стали, приведен в
таблице 6.1
Таблица 6.1.
Состав шарикоподшипниковой стали
Стали
С, %
Cr, %
Mn, %
Si, %
ШХ6
1,05 – 1,15
0,4 – 0,7
0,20 – 0,40
0,17 – 0,37
ШХ9
1,05 – 1,10
0,9 – 1,2
0,20 – 0,40
0,17 – 0,37
ШХ15
0,95 – 1,05
1,3 – 1,65
0,20 – 0,40
0,17 – 0,37
ШХ15СГ
0,95 – 1,05
1,3 – 1,65
0,90 – 1,20
0,40 – 0,65
Примечание: Во всех сталях S<0,020%, P<0,027%, Ni<0,3%, Cu<0,25%.
13
Обозначение
марки
надо
расшифровывать
так:
шарикоподшипниковая
хромистая; цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях процента.
Чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть
содержание хрома в стали.
Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из
стали ШХ9, шарики диаметром 13,5 – 22,5 мм и ролики диаметром 10 – 15 мм – из стали
ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15 – 30 мм – из стали
ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением
очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщиной стенки свыше 15 мм
– из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы –
кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.
К шарикоподшипниковым сталям предъявляют весьма высокие требования в
отношении чистоты по неметаллическим включениям. Дело в том, что нагрузка в
шарикоподшипнике является локальной, и если в точках касания шарика или ролика и
кольца в загрязненной или неоднородной стали окажется то или иное включение, то
может произойти местное разрушение, а вследствие этого долговечность работы
подшипника резко снизится. Поэтому согласно ГОСТу каждая плавка в любом профиле
проката тщательно контролируется на наличие пористости, неметаллических включений,
строчечность, сетку. Для всех этих дефектов составлены шкалы, по которым оценивается
пригодность стали.
7. Конструкционные легированные стали.
Стали, применяемые для ответственных сильно нагруженных деталей должны
обладать высокими механическими свойствами. При этом стали должны обладать
высоким комплексом свойств, а не высоким значением какого либо одного свойства.
Механические свойства сталей зависят от их структуры и состава. Детали должны быть
14
надежными, прочными и долговечными. Практически существует один радикальный
способ достижения сочетания высокой прочности и пластичности во всем объеме детали –
легирование. Механические свойства низкоуглеродистых легированных конструкционных
сталей приведены в таблице 7.1., а примеры использования различных легированных
сталей – в таблице 7.2.
Таблица 7.1.
Механические свойства конструкционных низкоуглеродистых легированных сталей
Марка стали
σв, МПа
σ0,2, МПа
δ, ;%
Ψ, %
15Х
750
650
15
55
15ХР
750
650
15
55
20ХН
850
700
15
55
20ХНР
1300
1100
14
60
30ХГТ
1600
1400
10
40
18ХНМФ
1200
1000
15
55
12Х2Н4
1200
1100
15
60
15
Таблица 7.2.
Примеры применения конструкционных легированных сталей
Стали
Применение
30Х; 35Х; 35ХРА
Оси, рычаги, болты, гайки и др. некрупные изделия.
40Х;
45Х;38ХА; Оси, валы, валы-шестерни, коленчатые и кулачковые валы, зубчатые колеса
40ХН; 50Х
30ХМ;
и др. улучшаемые детали повышенной прочности.
30ХМА; Валы, шестерни; шпильки; фланцы и др. ответственные детали, работающие
35ХМ; 40ХН; 30ХМ; при высоких нагрузках и при Т = 450 - 500°С
30ХГСА
30ХН2МФА;
Валы, цельнокованые роторы, детали редукторов, шпильки и др. детали
30ХН2ВФА
турбин
и
компрессорных
машин,
работающие
при
повышенных
температурах.
ШХ15; ШХ9; ШХ12
Шарики d≤150 мм, ролики d≤23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки
до 14 мм, ролики толкателей и др. детали от которых требуется высокая
твердость, износостойкость и контактная прочность. В стали ШХ15: С – 1%;
Мn – 0,3%; Si – 0,25; Сr – 1,5%.
70;
65Г;
60С2А; Пружины, рессоры, фрикционные диски и др. детали, к которым
9ХС;60С2;
предъявляются требования повышенной износостойкости и работающие без
55С2;50ХФА
ударных нагрузок.
16
8. Серые чугуны, применяемые в общем машиностроении
8.1. Структура чугуна. Форма графита
Чугун отличается от стали по составу – более высоким содержанием углерода, по
технологическим свойствам – улучшенными литейными качествами, малой способностью
к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле
стали.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде
карбида;
- серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится
в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;
- высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью
находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;
- ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В
ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном
состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).
Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре
графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.
Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матовобелый цвет. Структура белого чугуна (при нормальной температуре) состоит из цементита
и перлита. Следовательно, в белом чугуне весь углерод находится в форме цементита,
степень графитизации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и
хрупкостью, практически не поддается обработки режущим инструментом.
Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый
цвет. В структуре серого чугуна имеется графит, количество, формы и размеры которого
17
изменяются в широких пределах. Таким образом, в сером чугуне имеется графит, а в
белом его нет.
В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные
включения.
По строению металлической основы чугун разделяют на:
- серый перлитный чугун – структура его состоит из перлита с включениями
графита;
- серий феррито-перлитный чугун – структура этого чугуна состоит из феррита плюс
перлит и включения графита.
- серый ферритный чугун – металлической основой является феррит, и весь углерод,
имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита.
По структуре чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются
графитные включения, предопределяющие специфические свойства чугунов.
Графит в чугунах может быть в трех основных формах:
- Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде
прожилок, лепестков.
- Шаровидный графит. В современных высокопрочных чугунах, выплавленных с
присадкой небольшого количества магния или церия, графит приобретает форму
шара.
- Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя
неустойчивость цементита с помощью отжига разложить его, то образующийся
графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму.
Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют серым чугуном, чугун с
шаровидным графитом – высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом –
ковким чугуном.
18
8.2. Свойства чугунов. Влияние примесей
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и
свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества
и характера графитных включений.
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и
по этому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами,
трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь испещренную
большим количеством пустот и трещин.
Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства
чугуна. При одинаковом объеме пустот (т.е. количестве графита) свойства чугуна будут
зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем
ниже его металлические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они
разобщают
металлическую
основу,
тем
хуже
свойства
чугуна.
Самые
низкие
механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют
замкнутый скелет.
При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по
концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется
низким сопротивлением развитию трещины и, следовательно, обнаруживает низкие
механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие
напряжения (например, при испытании на растяжение).
Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например,
при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень
близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа
чугуна.
19
Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным
образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.
Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а так же изгибу, кручению,
в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений.
Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями
графита.
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации
напряжений, такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом
имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с
пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом –
высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное
положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.
Графит
Пластинчатый
Хлопьевидный
Шаровидный
Относительное удлинение, δ, %
0,2 – 0,5
5 – 10
10 – 15
Твердость НВ, определяемая структурой металлической основы, имеет следующие
значения
Чугун
Ферритный
Феррито-перлитный
Перлитный
Твердость НВ
150
200
250
Твердость мало зависит от формы графита.
Благодаря наличию графита чугун имеет ряд преимуществ перед сталью:
- облегчает обрабатываемость резанием;
- обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему
действию графита;
- наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;
- нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам.
20
Следует также указать лучшие литейные свойства по сравнению со сталью. Более
низкая температура плавления и окончания кристаллизации при постоянной температуре
обеспечивает не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и заполняемость
формы.
Описанные
преимущества
чугуна
делают
его
ценным
конструкционным
материалом, широко применяемым в деталях машин, главным образом тогда, когда они не
испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.
Обычный промышленный чугун – не двойной железоуглеродистый сплав – он
содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т.е. марганец, кремний, серу и фосфор,
но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на структуру и
свойства чугуна.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна. Содержание кремния в
чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3 – 0,5 до 3 – 5 %. Изменяя содержание
кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре – от
малокремнистого белого до высококремнистого ферритного.
Марганец в отличие от кремния способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает
литейные свойства (снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне
лимитируется. Фосфор – полезная примесь в чугуне, т.к. он улучшает жидкотекучесть и
износоустойчивость чугуна.
Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие
чугуны называются легированными. Наиболее часто чугун легируют хромом, никелем,
медью, алюминием, титаном.
21
8.3. Марки чугунов
Серый, а так же и высокопрочный чугун разделяются на марки в зависимости от
значений механических свойств.
В таблице 8.1. приведены свойства серых чугунов различных марок.
Таблица 8.1.
Механические свойства серых чугунов
Марка чугуна
Предел прочности
Предел прочности
при растяжении,
при изгибе, кгс/мм2
Твердость НВ
кгс/мм2
СЧ00
—
—
—
СЧ12-28
12
28
143 – 229
СЧ15-32
15
32
163 – 229
СЧ18-36
18
36
170 – 229
СЧ21-40
21
40
170 – 241
СЧ24-44
24
44
170 – 241
СЧ28-48
28
48
170 – 241
СЧ32-52
32
52
187 – 255
СЧ35-56
35
56
197 – 269
СЧ38-60
38
60
207 – 269
Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и двумя двузначными
цифрами. Первые две цифры показывают минимальное значение предела прочности
чугуна на растяжение, вторые – минимальное значение предела прочности чугуна на
изгиб. Мерой качества чугуна принято считать показатели его прочности.
22
Механические свойства СЧ00 не гарантируются и его используют для
изготовления деталей, подвергнутых незначительным механическим нагрузкам. Как
видно из таблицы 8.1, лучшим по свойствам является серый чугун марки СЧ38-60. Такой
чугун называется высококачественным. Из такого чугуна
изготавливают такие
ответственные детали, как поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и многие
другие.
Чугун
должен
удовлетворять
не
только
требованиям
основного
классификационного ГОСТа, но и дополнительным специфическим требованиям, что
регламентируется в зависимости от назначения, отдельными ГОСТами или техническими
условиями, например, на автомобильные и
тракторные отливки, отливки
для
сельскохозяйственного машиностроения, компрессорные отливки, поршневые кольца,
гильзы и т.д.
Высокопрочный чугун (ВЧ) так же подразделяется на отдельные марки в
зависимости от механических свойств, причем основными показателями являются предел
прочности при растяжении и относительное удлинение (см. табл. 8.2).
Сравнение свойств серых и высокопрочных чугунов показывает, что наименее
прочный чугун ВЧ40-10 (см. табл. 8.2) все же прочнее наиболее прочного серого чугуна
СЧ38-60 (см. табл. 8.1) при меньшей твердости, что является прямым следствием разной
формы графита в этих чугунах.
Высокопрочный чугун ВЧ45-0, для которого пластические свойства (удлинение) не
гарантируется, применим лишь для изделий, не испытывающих динамических нагрузок.
ВЧ60-2, ВЧ45-5 и ВЧ40-10 – чугуны высокого качества, они различаются главным
образом структурой металлической основы. У чугуна ВЧ60-2 она перлитная; у ВЧ45-5 –
феррито-перлитная и у ВЧ40-10 – ферритная, что и обусловило их разную прочность.
23
Таблица 8.2.
НВ
кгс·м/см2
удлинение, %
Ударная вязкость,
Твердость
Относительное
растяжении, кгс/мм2
текучести при
Условный предел
чугуна
растяжении, кгс/мм2
Марка
Предел прочности при
Механические свойства высокопрочных чугунов
не менее
ВЧ45-0
45
36
—
—
187 – 255
ВЧ50-1,5
50
38
1,5
1,5
187 – 255
ВЧ60-2
60
42
2,0
1,5
197 – 269
ВЧ45-5
45
33
5,0
2,0
170 – 207
ВЧ40-10
40
30
10
3,0
156 – 197
Сочетание
высокой
прочности
и
пластичности
этих
чугунов
позволяет
изготавливать из них ответственные изделия. Из чугуна, обладающего лучшими, чем у
стали,
литейными
свойствами,
можно
литьем
изготавливать
изделия
сложной
конфигурации, обладающие лучшим сопротивлением разнообразным механическим
воздействиям, чем более простые по форме кованые детали. Другими словами, в ряде
случаев деталь сложной конфигурации из менее прочного материала (чугуна)
конструктивно оказывается более прочной, простой по конфигурации детали из более
прочного материала (стали).
Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, который получается из
белого чугуна в результате специального графитизирующего отжига (томления).
Не следует думать, что ковкий чугун действительно «ковкий», что его можно
обычным образом ковать. Ковкий чугун – старое название, которое характеризует его
24
большую пластичность по сравнению с обычным серым чугуном. В таблице 8.3
приведены данные о свойствах ковкого чугуна.
Таблица 8.3.
Механические свойства ковкого чугуна
Марка чугуна
Предел прочности
Относительное
при растяжении,
удлинение, %
Твердость НВ
кгс/мм2
КЧ30-6
30
6
163
КЧ33-8
33
8
149
КЧ35-10
35
10
149
КЧ37-12
37
12
149
КЧ45-6
45
6
241
КЧ50-4
50
4
241
КЧ56-4
56
4
269
КЧ60-3
60
3
269
КЧ63-2
63
2
269
Ковкий чугун маркируется следующим образом: КЧ обозначает ковкий чугун,
затем ставят число, показывающее предел прочности (σВ) и число, показывающее
относительное удлинение (δ).
Из-за низкого содержания углерода в ковком чугуне получается малое количество
графитных образований и улучшается качество чугуна. Для расплавления ковкого чугуна
пользуются специальными печами, что повышает стоимость изделия.
Примеры использования серых чугунов в общем машиностроении приведены в таблице
8.4.
25
Таблица 8.4.
Марки серых чугунов и их применение
Вид чугуна
Примеры
маркировки
Свойства
Применение
Обычный
серый
СЧ12-28
СЧ18-36
σв =12 кгс/мм2 =120
МПа
σи = 28 кгс/мм2= 280
МПа
σв = 18 кгс/мм2; σи =
36кгс/мм2
σв= 50 кгс/мм2 = 500
МПа
δ% = 1,5%
σв = 45 кгс/мм2; δ% =
5%
σВ = 35 кгс/мм2 = 350
МПа
δ% = 10%
σВ = 45 кгс/мм2 ; δ%
= 6%
Станины; корпуса редукторов;
тракторные отливки, поршневые
кольца и др.
ВысокоВЧ50-1,5
прочный чугун ВЧ45 -5
Ковкий чугун КЧ35-10
КЧ45-6
Коленчатые валы; арматура тоннелей
метро; канализационные трубы; и др.
Литые детали машин, не
испытывающие значительных
растягивающих и ударных нагрузок.
26
9. Аспекты выбора материалов для изготовления деталей машин

Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических
свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют
процесс получения узлов и деталей машин с наилучшими служебными свойствами.
Методы определения технологических свойств стандартизованы. К числу
важнейших
относятся:
обрабатываемость
свариваемость,
резанием,
литейные
паяемость,
свойства
и
упрочняемость,
технологическая
деформируемость.

Экономические параметры, связанные с затратами на изготовление деталей.

Механические (конструкционные) свойства металлических материалов.
10. Методы определения механических свойств металлических материалов.
Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям,
(т.е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один
и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость
нагружения и т.д.) может иметь различные механические свойства.
Детали
должны
выдерживать
(передавать)
различные
нагрузки:
статические,
динамические, циклические, тепловые и др. Количественная оценка механических
свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных
испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики
проведения испытаний стандартизованы.
27
Испытание на растяжение
Образец для испытаний
Относительное
l0
удлинение

d0
1   0
100%
0
сужение
Разрушение образца из
пластичного материала
d1
F

«шейка»
А0  А1
100%
А0
F
l1
Диаграмма растяжения с площадкой текучести
З
а
к
о
н
Г
у
к
а
σ
=
E
·
ε
•
•
σпц, σуп и σт– пределы пропорциональности, упругости и
текучести;
σв – временное сопротивление;
• σр – напряжение в момент разрыва.
28
Диаграмма растяжения без площадки текучести

 ист 
F
A0
F
A
σр,ист
σв
σ0,2
σр


0
0,2%
εост
εуп
• σ0,2 – условный предел
текучести
• σр,ист – истинное напряжение в момент
разрыва
Испытание на сжатие
F
Деформация
образца
Образец для
испытаний
d0
из пластичного
материала
h0
h0
 1 3
d0
F
из хрупкого
материала
29
Диаграммы растяжения и сжатия пластичного
(например, стали) и хрупкого (например, чугуна)
материалов

ВС > ВР
вр
тр
тс

ТС ≈ТР
Разрушение образца из
хрупкого материала
F
F
вс
Кривая усталости

2
1
r
2
1
N 2 N1
•
N0
 lim   r
 lim   1
 lim   2
N
σr - предел выносливости - максимальное значение напряжения
цикла изменения напряжений, при котором разрушение не происходит
после практически неограниченного числа циклов изменения
напряжений.
•
Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных
значений переменных напряжений за один период их изменения.
30
Методы определения твердости материалов
•
Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна
из характеристик сопротивления деформации.
•
Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик
(индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S –
сферическая поверхность отпечатка с диаметром d.
•
Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости
считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB –
при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса
( с различной нагрузкой).
•
Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV –
диагональ отпечатка d.
•
Методы HB и
HRB
применяют для мягких материалов; HRC - для твердых
материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев
(листов).
•
Между
различными
методами
существует
примерная
корреляция.
По
соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним
из методов в значения твердости соответствующие другим методам.
•
Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел
прочности: НВ ≈ σв / 3.
•
Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости
отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень
небольшой нагрузке (до 100г).
•
Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в
условиях производства по отскоку стального шарика.
31