Классификация конструкционных материалов
А). Металлические материалы, к которым относятся:
сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;
стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
композиционные материалы с металлической матрицей;
Б). Неметаллические материалы:
полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);
неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);
В). Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.
Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.
В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:
материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
материалы с особыми технологическими свойствами;
износостойкие материалы;
материалы с высокими упругими свойствами;
материалы с малой плотностью;
материалы с высокой удельной прочностью;
материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.
Наиболее перспективные конструкционные машиностроительные материалы
Материалы на металлической основе в настоящее время являются наиболее перспективными, конструкционными машиностроительными материалами. Технически чистые металлы, как правило, характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении в основном применяют материалы, получаемые сплавлением двух и более элементов. Конструкционные материалы, применяемые в машино- и приборостроении можно классифицировать по разным признакам. Большинство из них, например, стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в различных деталях и конструкциях. Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определенного функционального назначения: жаропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие. Сплавы на основе железа называют черными и в зависимости от содержания в них углерода разделяют на стали и чугуны. Материалы на основе магния, алюминия и титана, имеющие малую удельную плотность (r< 5 г/cм3) принято называть легкими цветными сплавами. Материалы на основе титана, ниобия, циркония, молибдена, вольфрама называют тугоплавкими цветными сплавами. Из многообразия материалов наиболее широкое применение нашли сплавы на основе железа - стали. Они обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств. По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и сплавы с особыми физическими свойствами.
Конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей машин, приборов, металлоконструкций и сооружений, классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению. По химическому составу конструкционные стали подразделяют на углеродистые и легированные. На долю углеродистых сталей, которые содержат до 0,75% С, приходится 80%,от общего объема выплавляемой стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей деформируемостью и обрабатываемостью режущим инструментом. Легированные стали получили широкое применение в строительстве (низколегированные) и в машиностроении (легированные) Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии - после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Для легирования обычно используют молибден, марганец, хром, кремний, никель и ванадий. Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов более 10% (высоколегированные), как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.). По качеству сплавы классифицируют на стали обыкновенного качества (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6), качественные стали (08; 10; 15; ...60; З0Х, 40ХН, З0ХГС и др.), высококачественные (З0ХН3А, 40ХФА, 40ХН2МА, 12Х18Н10Т и др.), особовысококачественные (ШХ15Ш, З0ХГСА-Ш и др.). Стали обыкновенного качества содержат до 0,05% S и 0,04% P, качественные - не более 0,04% S и 0,035% P, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% P, особовысококачественные - не более 0,015% S и 0,025% P. По степени раскисления стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп, ... Ст6сп; cтали 08, 10, ..., 60 и др.) раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, СтЗкп, Ст4кп; cтали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп) раскисляют только Mn и производят низкоуглеродистыми ( £0,2%С) с повышенным количеством газообразующих примесей. Полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс, ..., Ст6пс; Стали 08пс,10пс, 15пс, 20пс) по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные - всех классов. По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали разделяют на стали нормальной (средней) прочности (sв<1000 МПа), повышенной прочности (sв<1500 МПа) и высокопрочные (sв>1500МПа). По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные - для металлоконструкций и сооружений.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов. По химическому составу эти стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали по качеству классифицируют на качественные (У7, У8, У9, ..., У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А, ... У13А). По структуре стали У10, У11, У12, У13 — заэвтектоидные. Низколегированные стали по структуре относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса, в которых хром - постоянный элемент (ХВ4, 2ХС, ХВГ, ХВСГ). Высоколегированные стали по назначению подразделяют на быстрорежущие и стали, используемые для изготовления штампов. В быстрорежущих сталях (Р18, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ и др.) основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден и ванадий, процентное содержание которых указывается после соответствующих букв. Для изготовления штампов применяют стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием, кремнием (X12, Х12М, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНВ, 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС и др.). Сплавы для контрольно измерительных инструментов (калибров, шаблонов, скоб, линеек и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться, поэтому обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали Х, 12Х, 15Х.
К сталям с особыми свойствами относят сплавы, для которых механические свойства, как правило, не имеют первостепенного значения. Основным предъявляемым к этим сталям требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Многие из этих сплавов высоколегированные, отличающиеся высокой точностью химического состава. По назначению сплавы с особыми свойствами могут быть подразделены на магнитные, аморфные (металлические стекла), стали с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с эффектом «памяти формы», жаростойкие, коррозирностойкие и др.