Конструкционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Республиканский заочный автотранспортный техникум

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Материаловедение

Конструкционные материалы



1. Основные показатели свойств материалов

Все свойства металлов делятся на четыре группы: физические, химические, технологические и механические.

Физические свойства - цвет, плотность, температура плавления, тип кристаллической решетки, полиморфизм (аллотропия), электро-, теплопроводность, магнетизм.

Химические свойства металлов - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость и др.

Технологические свойства характеризуют обрабатываемость металла: свариваемость, штампуемость, жидкотекучесть, усадку, обрабатываемость резанием и т. п.

Но при выборе материала заготовок могут использоваться так называемые эксплуатационные свойства, к которым в первую очередь, относится износостойкость. Эта характеристика напрямую зависит от такого механического свойства материала как твердость. Чем выше твердость материала, тем больше износостойкость детали.

Знание механических характеристик позволяет выбрать ту марку материала, которая обеспечит максимальную надежность (или производительность) изделия при оптимальной стоимости.

1.1 Механические свойства металлов

Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, вязкостью).

Знание механических свойств металлов необходимо для правильного выбора марки материала.

Прочность - свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.

Пластичность - свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом.

Твердость - свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела.

Упругость - способность материала возвращать форму после снятия нагрузки.

Ударная вязкость - характеристика динамической прочности.

Усталостная прочность - способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках.

1.2 Основные показатели свойств материалов

Для определения характеристики материала проводятся испытания.

Испытания на растяжение.

Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.

На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 1, а) можно выделить три участка:

- ОА - прямолинейный, соответствующий упругой деформации;

- АВ - криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки;

- ВС - соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки.



Рисунок 1. - Диаграмма растяжения пластичных металлов:

Где:

а - с площадкой текучести;

б - без площадки текучести.

В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.

От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА - прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.

При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА.

В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести - это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (у0,2). Участок АВ соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении ув. Это характеристика статической прочности:

В = Рmax / F0

Где:

Рmax - наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, Н;

F0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм. кв.

1.3 Буквенные обозначения и единицы измерения пределов упругости, текучести, прочности

Предел упругости:

- обозначение - у;

- единица измерения - Н/ммІ (МПа).

Предел текучести:

- обозначение - Т;

- единица измерения - Н/ммІ (МПа).

Предел прочности: единица измерения - Н/ммІ (МПа).

В некоторых случаях может быть обозначение предела упругости 0,05. Это связано с тем, что пределом упругости, как говорилось выше, называют максимальное значение напряжения, при котором не возникает остаточных деформаций т. е., имеют место только упругие деформации.

На практике за него принято брать величину напряжений, при которых остаточные деформации не превышают 0,05%, отсюда и индекс 0,05. Единица измерения Паскаль [Па].



2. Состояния системы железо - цементит

2.1 Начертить диаграмму состояния сплавов «железа-цементит»

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. Цементитом (Fe3C) называют химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), который содержит 6,67% углерода.

Рисунок 2. - Диаграмма состояния системы железо - цементит:

Точка С при температуре 1147°С - начало эвтектического превращения.

На данной диаграмме наиболее важными являются линии:

- АВ - линия ликвидус для д - твердого раствора;

- СD - линия ликвидус для цементита (первичного);

- ЕCF - линия эвтектического превращения:

Lс > (г Е + Fе3С)

- РSK - линия эвтектоидного превращения:



гS > (бP + Fе3С)

2.2 Структурные превращения материалов

Чугун - важнейший машиностроительный материал для литейного производства. Он как конструкционный материал обеспечивает возможность получения заготовок сложной формы и их низкую стоимость.

Чугуном называют сплав железа с углеродом, при этом количество углерода составляет от 2,14% до 6,67%. Различают белый чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Этот чугун твердый, хрупкий и имеет ограниченное применение. Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, называется серым.

Чугуны делятся по отношению к эвтектической точке С на:

- доэвтектические, (углерода от 2,14 до 4,3%);

- эвтектический (4,3%);

- заэвтектические (содержащие углерода от 4,3 до 6,67%).

При медленном охлаждении белого чугуна с содержанием углерода 4,3%, как видно из рисунка 2, происходит следующее:

- до температуры 1147°С сплав находится в жидком состоянии;

- в точке С жидкая фаза (Lс) начинается первичная кристаллизация, сплав испытывает эвтектическое превращение:

По структуре это механическая смесь аустенита и цементита. Аустенит (г) - это твердый раствор внедрения углерода в г-железо (по имени английского ученого Р. Аустена).

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в г-железе 2,14% при температуре 1147°С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение - 40…50%), парамагнитен. Полученная эвтектическая смесь (гЕFе3С) имеет характерное строение и называется ледебуритом (по имени немецкого ученого Ледебура).

Надо отметить, что в данном состоянии цементит является первичным. Эвтектический белый чугун (4,3% С) на линии ECF кристаллизуется сразу с образование ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава из аустенита выделяется вторичный цементит, а на линии PSK происходит перлитное превращение:

При комнатной температуре фазовые составляющие - феррит (твердый раствор внедрения углерода в железе) и цементит, структурные составляющие - превращенный ледебурит, вторичный цементит и перлит. Структура белого эвтектического чугуна приведена на рис. 3.

Рисунок 3. - Микроструктура белого эвтектического чугуна:

2.3 Определить температуры начала и конца аллотропического превращения для данного чугуна

Аллотропическое превращение - это способность чугуна, находящегося в твердом состоянии, изменять свое строение при определенных температурах. Сущность этих превращений заключается в том, что у сплава при определенной температуре происходит перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Как было описано выше, для эвтектического чугуна происходит аллотропические превращения при нагревании от температуры 727°С до 1147°С.

Выше температуры 1147°С чугун уже находится в жидком состоянии.



3. Предложить марку сплава для изготовления шатуна автомобиля, изготовленного методом горячей штамповки

При выборе материала необходимо учитывать:

1) пригодность материала к заданной детали и условиям ее эксплуатации;

2) технологические свойства материала, штампуемость;

3) экономические требования - стоимость материала.

Штамповка - это наиболее экономичный способ получения заготовок. Штамповка может быть горячей и холодной, горячая выполняется с подогревом материала. Объемная горячая штамповка - это процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, которую называют ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной конфигурацией.

Шатун - это деталь кривошипно-шатунного механизма, соединенная шарнирно с поршнем или ползуном с одной стороны и с вращающимся кривошипом или коленвалом с другой стороны.

Рисунок 4. - Шатун автомобильный:

Шатуны автомобильных двигателей рекомендуется изготавливать методом горячей штамповки из качественной среднеуглеродистой стали Сталь 40 (углерода около 0,4%) и Сталь 45 (содержание С 0,45%). При этом наиболее часто используемая марка стали - это сталь конструкционная качественная марганцовистая 45Г2. Для особо нагруженных двигателей наиболее приемлемой является легированная сталь: 40ХН (хромо-никилиевая) и сталь ЗОХМА (хромо-молибденовая, буква А означает - высококачественная). Предложенные марки сталей максимально подходят для изготовления шатуна по своим физико-механическим характеристикам для горячей штамповки т. к., будут иметь равномерную структуру материала после деформации.



4. Латуни. Простые латуни, легированные латуни. Классификация латуней, наиболее применяемых в машиностроении

4.1 Латуни

Латунь (от нем. Latun) - сплав на основе меди, в котором главной добавкой является цинк (до 50%). Иногда с добавлением олова, никеля, свинца, марганца, железа и других элементов. Относятся латуни к цветным сплавам, конкретно, медные сплавы. Считается, что латуни - это сплавы меди с цинком. Основными положительными свойствами латуней является их коррозионная стойкость, легкость обработки, пластичность и относительно недорогая стоимость.

Физические свойства:

- Плотность - 8300-8700 кг / мі;

- Удельная теплоёмкость при 20°C - 0,377 кДж/кг;

- Удельное электрическое сопротивление - (0,07-0,08)-10-6 Ом-м;

- Температура плавления латуни в зависимости от состава достигает 880-950°C. С увеличением содержания цинка температура плавления понижается;

- Латунь достаточно хорошо сваривается (однако нельзя сваривать латунь сваркой плавлением - можно, например, контактной сваркой) и прокатывается;

- Если поверхность латуни не покрыта лаком, то она чернеет на воздухе, но в массе латунь лучше сопротивляется действию атмосферы, чем медь;

- Висмут и свинец имеют вредное влияние на латунь, так как уменьшают способность к деформации в горячем состоянии. Тем не менее, легирование свинцом применяют для получения сыпучей стружки, что облегчает ее удаление при обработке резанием.



4.2 Простые латуни, легированные латуни

Латуни подразделяются на простые - сплавы системы «медь - цинк» - и сложные, содержащие другие элементы (никель, олово, алюминий и др.). Латуни широко применяются в приборостроении, в общем и химическом машиностроении. Их прочность выше, чем у меди, и они дешевле.

Простые латуни маркируются буквой «Л», после которой цифра показывает среднее процентное содержание меди. Например, латуни Л96, Л70 - однофазны, а латунь Л60 - двухфазна.

Легированные латуни называются сложными, или специальными. В их марке после буквы «Л» записываются начальная буква названия элемента и цифра - его процентное содержание.

В маркировке литейных латуней среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, ЛЦ14К3С3 - латунь, содержащая 14% цинка, 3% кремния, 3% свинца, остальное медь.

4.3 Классификация латуней, наиболее применяемых в машиностроении

Как говорилось выше латуни по технологическим свойствам можно разделять на деформируемык и литейные, простые и сложные.

Легированную латунь, в свою очередь, можно разделить на:

- двухкомпонентные сплавы;

- и многокомпонентные сплавы латуни.

Так как латуни различаются по содержанию цинка, принято также выделять: механический сплав аллотропический

- красную;

- и жёлтую латуни.

При концентрации цинка до 39% латуни однофазны, их структура - кристаллы твердого раствора цинка в меди. При большем содержанием цинка латуни двухфазны. Прочность латуней повышается с увеличением содержания цинка до 45%, а затем под влиянием твердой и хрупкой фазы резко падает. Такие сплавы не используются. Латуни с содержанием цинка до 10% называются томпак, а до 15-20% - полутомпак.

Содержание цинка в красной латуни (томпаке) составляет от 5 до 20%, а в жёлтой - более 20%. Чем выше содержание Zn в составе, тем ниже стоимость сплава.

Поставляют латунь в виде слитков, если это литейная латунь и в виде лент, плит, проволок, труб, листов и прутков, если латунь деформируемая.

Латунные листы применяются при изготовлении тары, предназначенной для хранения химических веществ, прошедших штамповку деталей, а также - при производстве металлической посуды. Весьма широко используются латунные листы при осуществлении холодного профилирования.

Желтая латунь часто используется в сантехническом оборудовании, при изготовлении разного рода деталей и смесителей.

Из проволоки изготавливают сетку. Сетки из латуни весьма широко применяются при изготовлении разного рода решеток, например декоративных, для радиаторов жидкостного отопления.

Свинцовистые латуни применяются в автомобильной и часовой промышленности. Латунь используются также в приборостроении, теплотехнике и многих др. отраслях промышленности.



Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1977.

2. Берлин В.И. Транспортное материаловедение / В.И. Берлин, Б.В. Захаров, П.А. Мельниченко. М.: Транспорт, 1982.

3. Материаловедение / Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986.

4. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин. М.: Машиностроение, 1984.

5. Травин О.В. Материаловедение / О.В. Травин, Н.Т. Травина. М.: Металлургия, 1989.

6. Мозберг Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг. М.: Высшая школа, 1991.

7. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.Л. Леонтьева. М.: Машиностроение, 1990.

8. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы. Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. / Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990.

Размещено на Allbest.ru

...