Файл: мат_лаб2.doc

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% С. На практике содержание углерода в чугунах изменяется в пределах 2,4 - 4,0%. Чугуны широко используются в машиностроении как сплавы для литья, т.к. имеют высокие литейные свойства, которые оцениваются жидкотекучестью, усадкой, а также склонностью к образованию пористости, ликвации, горячих и холодных трещин. Так же, как и в сталях, в чугунах присутствуют Mn, Si , S и Р, однако их влияние на свойства чугунов отличается от их влияния на свойства сталей

Классификация чугунов по состоянию углерода

Углерод в чугунах может находиться либо в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C, либо в свободном состоянии в виде графита.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C и других карбидов, степень графитизации равна нулю. Такой чугун в изломе имеет матово-белый цвет. Белый чугун получают в результате быстрого охлаждения жидкого расплава, вследствие низких механических свойств и хрупкости он имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. В результате отжига из белого чугуна можно получить ковкий чугун.

К чугунам, в которых практически весь углерод находится в свободном состоянии, относятся серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Эти сплавы различаются между собой условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Классификация чугунов по форме графитных включений

Серые чугуны получают при медленном охлаждении жидкого расплава. В серых чугунах большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита. Пластинки графита разрезают металлическую основу чугуна. Поэтому серый чугун хрупок и не может подвергаться пластической деформации. Как и все чугуны, этот чугун предназначается для фасонных отливок. Чем больше свободного графита и чем крупнее эти пластинки, тем ниже механические свойства чугуна. В серых чугунах обычно содержится 2,6‑3,8% С; 1,2‑3,5% Si; 0,3‑1,0% Мn, а также до 0,12% S и до 0,2% Р. Примеры маркировок: СЧ00, СЧ10, СЧ15 ... СЧ35 (ГОСТ 1412-85). Серые чугуны в зависимости от механических характеристик применяются для изготовления строительных колонн, фундаментных плит, станин мощных станков и механизмов, литых деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей, тракторов, т.е. крупных отливок, не испытывающих ударных нагрузок.

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Благодаря такой форме графита эти чугуны имеют более высокую прочность и пластичность. Шаровидная форма графита достигается присадкой в жидкий чугун небольших количеств магния (0,03‑0,07%) с последующим медленным охлаждением. Обычный состав чугуна: < 3,3% С; 2,2‑2,5% Si; 0,5‑0,8% Мn; < 0,14% S и 0,2% Р. ГОСТ 7293-85 устанавливает следующие марки чугуна: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50 ... ВЧ100. Оливки из высокопрочных чугунов широко используются в промышленности: в автостроении и дизелестроении – изготовление коленчатых валов, крышек цилиндров и др. деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов в кузнечно-прессовом оборудовании; в химической и нефтяной промышленности – для насосов и вентилей, работающих в коррозионных средах и др.

В ковких чугунах весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита. Такая форма графита получается в результате длительного отжига отливок из белого чугуна.

Обычный химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий, выбирают в пределах: 2,5‑3,0% С; 0,7‑1,5% Si; 3,3‑1,0% Мn; < 0,12% S и < 0,18% Р.

ГОСТ 1215-79 устанавливает следующие марки ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 ... КЧ80-15. Отливки из ковкого чугуна применяют для изготовления деталей, работающих при ударных, статических и вибрационных нагрузках – картеров редукторов, задних мостов, ступиц, скоб, крюков, гаек, хомутиков, вилок карданных валов, звеньев и роликов цепных конвейеров, втулок, тормозных колодок и т.д.

Сплавы на основе цветных металлов

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются медь, алюминий, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Сплавы на основе меди

Медь – металл красного, в изломе розоватого цвета, характеризуется высокой плотностью 8,94 г/см³, высокой тепло- и электропроводностью, температура плавления 1083°С. Медь имеет высокую коррозионную стойкость и пластичность, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства. В зависимости от чистоты медь различают следующих марок: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu) и М4 (99,0% Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

Медь является основой важнейших промышленных сплавов: латуней, бронз, мельхиора и некоторых других.

Латуни ‑ это сплавы на основе меди, где основным легирующим элементом является цинк. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 42% Zn. Помимо цинка, латуни часто легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Состав и свойства деформируемых латуней регламентированы ГОСТ 15527-2004, из них изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку. В этот стандарт входят латуни двойные (Л96, Л90, Л85, Л68 и др.) и латуни многокомпонентные: алюминиевые, кремнистые, оловянные и др. (деформируемые, например, ЛС59-1, ЛАЖ60-1-1 и литейные, например, ЛЦ40С, ЛЦ40Мц3А и др.).

Бронзы ‑ сплавы меди с оловом, алюминием, кремнем и другими элементами. В зависимости от содержания этих элементов бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и свинцовые. Кроме того, бронзы делятся на деформируемые, например, БрОФ 6,5-0,15, БрАЖМц 10-3-1,5, БрБ2 и литейные, например, БрО10С10, БрО8Ц4, БрА9Ж3Л, БрС30.

Мельхиор ‑ сплав меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Мельхиор отличается высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Обычно в состав мельхиора входит 5-30% Ni, ≤0,8% Fe и ≤1% Mn, хотя в отдельных случаях он отличается от начертанных рамок.

Помимо мельхиора, существуют и другие сплавы меди с никелем: монель, содержание никеля в котором достигает 67 %, а также нейзильбер, в котором дополнительно присутствует цинк. Сплавы на основе меди с никелем и цинком относятся к реостатным сплавам (т.е. сплавам повышенного электросопротивления): манганин МНМц-3-12, константан МНМц-40-1,5, копель МНМц-43-0,5.

Сплавы на основе алюминия

Алюминий ‑ металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью 2,7 г/см³, высокой электропроводностью, температура плавления 660°С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Сu, Mg, Si, Zn). Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. В зависимости от содержания постоянных примесей различают: алюминий особой чистоты марки А999 (0,001% примесей); алюминий высокой чистоты А935, А99, А97, А95 (0,005-0,5% примесей); технический алюминий А85, А8, А7, А5, А0 (0,15‑0,5% примесей).

Все сплавы на основе алюминия можно разделить на три группы (см. таблицу классификации алюминиевых сплавов):

деформируемые, которые в свою очередь делятся на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые. Они предназначены для получения полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т.п.);
литейные сплавы; предназначены для литья;
сплавы, получаемые методами порошковой металлургии (САП - спеченные алюминиевые порошки, САС - спеченные алюминиевые сплавы).

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Химический состав и механические свойства этих сплавов определяются ГОСТ 4784 -97. Отличительная особенность этих сплавов ‑ сочетание высокой прочности с малым удельным весом. Имеется несколько групп этих сплавов.

Дуралюмины – сплавы нормальной прочности, (Al-Сu-Mg)-Mn, наиболее распространены в этой группе: Д1, Д12, Д16, Д19. Очень часто в конце марки ставятся буквы, характеризующие состояние сплава: М ‑ мягкий (отожженый); Т ‑ термически обработанный (закалка и естественное старение); Н ‑ нагартованный (наклепанный при пластической деформации); П ‑ полунагартованный. Например, Д16М ‑ дуралюмин отожженый; Д16ТН ‑ дуралюмин закаленный, естественно состаренный и дополнительно нагартованный.

Сплав авиаль обозначается буквами АВ, уступает дуралюминам по прочности, но имеет лучшую пластичность и высокий предел выносливости.

Высокопрочные сплавы (A1-Сu-Mg)-Zn имеют меньшую пластичность, чем дуралюмины, и маркируются буквой В, например, В93, B95, В65.

Ковочные алюминиевые сплавы (Al-Cu-Mg)-Si имеют высокие пластические и литейные свойства и применяются для изготовления кованых и штампованных деталей (АК6, AK8).

Жаропрочные сплавы (Al-Cu-Mg)-Ni имеют более сложный химический состав, и используются для изготовления деталей, работающих при температурах до 300 (Д20, АК4-1).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и превосходят алюминий по прочности. К ним относятся сплавы системы (Al-Мg) и (Al -Mn). Наиболее распространенными марками являются АМц; АМг2; АМг5 и т.д. Эти сплавы в виде листов или другого проката поставляются в отожженном (мягком ‑ М) состоянии, после небольшой степени наклепа, т.е. полунагартованные - П, и после значительного наклепа, т.е. нагартованные ‑ Н, такие как АМг3М, АМг3П, АМг3Н. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью.

К литейным алюминиевым сплавам относятся:

Силумины ‑ сплавы системы (Al-Si), дополнительно легирующиеся Сu и Mg, марки АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ34, АЛ9, АЛ91, АЛ5, АЛ32, АЛ5-1, АЛ30, АЛ25. Сплавы имеют хорошие литейные, но невысокие механические свойства.

Сплавы системы (Al-Cu), дополнительно легирующиеся Mn, Ni, Сr (АЛ7, АЛ19). Сплавы имеют высокие механические, но низкие литейные свойства, хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы системы (Al-Mg), дополнительно легирующиеся Si (АЛ8, АЛ13, АЛ28, АЛ23, АЛ23-1, АЛ-27 и др.). Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и обрабатываемостью резанием, но низкими литейными свойствами. Для измельчения зерна, а, следовательно, для улучшения механических свойств, в сплавы вводят модифицирующие добавки Ti (титан), Zr (цирконий).

Жаропрочные сплавы системы (Al-Cu-Mg)-Mn, дополнительно легирующиеся Si, Ni, Ti, Fe, Сr (АЛ20, АЛ21), используются для изготовления деталей, работающих при температурах до 275-300ºС.

Алюминиевые сплавы, получаемые методами порошковой металлургии, обладают по сравнению с литейными сплавами более высокой прочностью, стабильностью свойств при повышенных температурах и коррозионной стойкостью. К таким сплавам относятся спеченные алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые порошки (САП). САС имеют особые физические свойства: низкий коэффициент линейного расширения и малую теплопроводность. САП имеют высокую жаропрочность и коррозионную стойкость. САП рекомендуются для кратковременной работы при температурах до 1000ºС и длительной работы при температурах 300-550ºС.