close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

59.Обоснование выбора материалов при технической подготовке производства деталей машин

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
А.И. Кондаков, А.С. Васильев
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ
ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению
150400 «Технологические машины и оборудование»
специальности 150401 «Проектирование
технических и технологических комплексов»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2008
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.7.01(075.8)
ББК 34.43
К644
Рецензенты: Г.Н. Васильев, А.Н. Иноземцев
Ч
24
К644
Кондаков А.И., Васильев А.С.
Обоснование выбора материалов при технической подготовке производства деталей машин: Учеб. пособие. — М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 171 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3121-2
Рассмотрены характеристики эксплуатационных и технологических свойств основных конструкционных материалов, используемых при изготовлении деталей машин. Предложена методика принятия решений при выборе материалов.
Для студентов 4–6-го курсов машиностроительных специальностей, выполняющих проектирование конструкций машин и разработку технологических процессов их изготовления.
УДК 621.7.01(075.8)
ББК 34.43
ISBN 978-5-7038-3121-2
2
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим этапом создания машины является выбор материалов для изготовления ее деталей. Свойства материалов в значительной мере определяют эксплуатационное качество деталей и
машины в целом, технологию изготовления деталей и соответствующие производственные затраты.
Выбор материала — задача конструктора машины, зачастую не
обладающего полной информацией для ее эффективного решения.
Указанная информация рассредоточена по многочисленным источникам, методики выбора материала разработаны недостаточно.
Последствия необоснованного выбора материала негативно сказываются практически на всех этапах жизненного цикла изделия и
способствуют снижению его конкурентоспособности.
Содержание предлагаемого учебного пособия вооружает формирующихся специалистов-конструкторов и технологов необходимой информацией и методологией ее использования для обоснованного решения задач выбора материалов деталей. Принципиальным отличием предлагаемого пособия от литературных источников, которые могли бы рассматриваться как аналоги, является ориентированность на комплексное решение задач выбора
(критерии и правила выбора, обоснование решений и т. п.) с позиций жизненного цикла изделия в целом.
Пособие может быть использовано студентами конструкторских и технологических специальностей при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также иных учебных работ, связанных с технической подготовкой производства машин различных
функциональных классов.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОЙСТВ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Техническая подготовка объединяет конструкторскую и технологическую подготовку производства машин.
При проектировании машины и ее деталей конструктор решает
важнейшую задачу выбора необходимых материалов, из которых
должны быть изготовлены детали. Правильный выбор материалов
деталей в значительной мере определяет эксплуатационное качество машины в целом.
Выбирая материал конкретной детали, конструктор в первую
очередь должен учитывать:
– условия эксплуатации детали;
– необходимые эксплуатационные свойства как детали в целом, так и ее отдельных зон или даже поверхностей;
– технологические свойства материалов, которые в принципе
можно использовать для изготовления детали;
– экономические характеристики материала и процессов изготовления из него деталей;
Условия эксплуатации детали определяют:
– характер и предельные значения нагрузок, действующих на
деталь в процессе эксплуатации;
– предельные значения давления, воспринимаемого отдельными зонами (поверхностями) детали и деталью в целом со стороны
рабочего тела или взаимодействующих деталей;
– предельные диапазоны температур эксплуатации (экстремальные значения температур эксплуатации);
– характеристики агрессивности внешней для детали среды;
– ожидаемый (расчетный) срок службы (ресурс) детали.
Характер нагрузок (статические, динамические, знакопеременные, ударные и т. д.) конструктор оценивает исходя из рабочего
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процесса, реализующегося в разрабатываемой конструкции машины. Предельные значения нагрузок оценивают по результатам
проводимых конструкторских расчетов. Аналогично определяют
значения давления, а также диапазоны температур эксплуатации
детали.
В зависимости от расчетного срока службы различают детали:
а) однократного применения — время эксплуатации измеряется минутами;
б) кратковременного срока службы — время эксплуатации до
100 ч;
в) ограниченного срока службы — до 1 000 ч;
г) длительного срока службы — до 10 000 ч;
д) весьма длительного срока службы — до 100 000 ч.
Исходя из условий эксплуатации, расчетного срока службы и
заданных основных показателей эксплуатационного качества, определяют основные необходимые эксплуатационные свойства детали в целом, а также ее отдельных зон и поверхностей. Эти свойства в первую очередь определяются материалом детали.
Свойства материала должны обеспечить надежное выполнение
комплекса функций детали в течение всего срока ее службы в заданных условиях эксплуатации.
К физико-химическим характеристикам материала относят
плотность, температуру плавления, коэффициенты линейного и
объемного расширения, электро- и теплопроводность, способность
к химическому взаимодействию с агрессивными средами, антикоррозионные характеристики материала и т. д. Перечисленные характеристики во многом зависят от химического состава (компонентов) материала, в частности от сплава и его структуры (табл. 1).
Важнейшим эксплуатационным свойством материала является
прочность — способность материала сопротивляться деформации
или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. К основным характеристикам прочности, определяемым при
испытании на растяжение одного образца, относят [1]: физический
предел текучести σт; предел прочности σв при разрыве; относительное удлинение δ; относительное сужение ψ; модуль упругости Е.
Большое значение при выборе материала (особенно если конструктор должен учитывать ограничения по массе машины и ее элементов) имеет удельная прочность, определяемая отношением преде5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ла прочности σв к плотности материала γ. Размерность величины
удельной прочности не имеет существенного значения, она должна
быть одинаковой для сравниваемых материалов (табл. 2).
Таблица 1
Плотность, коэффициент линейного расширения
и температура плавления некоторых материалов
Наименование материала
Сталь углеродистая закаленная
Сталь углеродистая незакаленная
Титан
Хром
Цинк
Чугун
Обозначение
Плотность,
г/см3
Коэффициент
линейного
расширения на
1 °С, ×10–6
Температура
плавления,
°С
—
7,5 – 7,85
12,0
1300 – 1400
—
7,5 – 7,85
11,5
1300 – 1400
Тi
Сr
Zn
—
4,50
7,14
7,14
7,0 – 7,7
7,1
8,1
32,5
10,4
1800
1550
419
1130 – 1200
Таблица 2
Значения удельной прочности для некоторых материалов
Материал
Плотность, г/см3
Предел прочности, МПа
Удельная прочность, усл. ед.
Сталь 40
Чугун СЧ30
Алюминиевый
сплав АМг6
Титановый
сплав ВТ6
Медный сплав
ЛС59-1
7,7
7,6
600
300
78
42
2,7
300
111
4,5
1000
222
8,89
400
45
Показателями пластичности, характеризующими способность
материала деформироваться, не разрушаясь, являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ после разрыва. Чем
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
больше значения указанных величин, тем более пластичен материал. Например, техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, а у серого чугуна относительное удлинение и
относительное сужение близки к нулю. Для изготовления большинства деталей машин и конструкций используют пластичные
материалы, поскольку они не подвержены опасности внезапного
разрушения.
Прочность при динамических нагрузках характеризуется ударной вязкостью, определяемой при разрушении ударом образца с
концентратором вида U (KCU) или V (KCV). Усталостную прочность как способность материала выдерживать, не разрушаясь,
значительное число знакопеременных циклов нагружения характеризует предел выносливости σ–1 при симметричном цикле растяжения-сжатия.
При разрушении образца удар воспринимается не площадью
сечения образца, а определенным объемом вокруг места надреза
образца (концентратора), в котором происходит деформация. Чем
больше этот деформируемый объем, тем выше способность материала рассредоточивать энергию деформации и тем больше значение ударной вязкости. При повышении прочности материала ударная вязкость снижается (если снижается пластичность). Ударная
вязкость значительно изменяется при понижении температуры,
когда вязкое разрушение становится хрупким. Испытания на ударную вязкость используют для определения хладноломкости, т. е.
перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при пониженной
температуре.
Усталостное разрушение наблюдают у деталей, которые эксплуатируются в условиях многократно повторяющихся знакопеременных нагружений (валы, оси, шатуны, рессоры и др.). Значение предела выносливости для сталей устанавливают при
107 повторно-переменных нагружений (циклов), для цветных металлов — при 108 циклов. Известно приближенное соотношение
σ–1 ≈ (0,36…0,62)σв.
Предел выносливости существенно зависит от состояния поверхности детали: большая шероховатость поверхности, наличие
рисок, надрезов, царапин, следов коррозии существенно снижают
предел выносливости. В местах указанных дефектов зарождаются
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
микротрещины. Конструктор должен учитывать это обстоятельство
при назначении технических требований на изготовление детали.
Показателем способности материала сопротивляться проникновению в него другого тела является твердость. Твердость
широко используют для оценки или задания механических (эксплуатационных) свойств материала при разработке конструкций
деталей. Это находит свое отражение в указании характеристик
твердости на рабочих чертежах последних или в качестве обязательного параметра модели создаваемой детали.
Характеристики твердости зависят от метода ее определения. В
машиностроении для определения твердости как металлических,
так и неметаллических материалов наиболее часто используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса [1]. Между числовыми значениями характеристик твердости, полученными различными методами, существуют определенные соотношения (табл. 3).
Таблица 3
Соотношения между числовыми значениями твердости,
измеренной различными методами
8
По Бринеллю (НВ)
По Роквеллу (НRC)
По Виккерсу (НV)
333
331
329
327
325
323
321
319
317
315
313
311
309
307
306
304
36,0
35,8
35,6
35,4
35,2
34,9
34,7
34,5
34,3
34,1
33,8
33,6
33,4
33,2
33,0
32,7
342
340
337
335
333
331
328
326
324
322
320
317
315
313
311
309
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 3
По Бринеллю (НВ)
По Роквеллу (НRC)
По Виккерсу (НV)
302
300
298
297
295
293
292
290
288
287
285
283
282
280
278
277
275
274
272
271
269
268
266
265
263
262
260
259
257
256
255
253
252
32,5
32,3
32,1
31,9
31,6
31,4
31,2
31,0
30,8
30,5
30,3
30,1
29,9
29,7
29,4
29,2
29,0
28,8
28,6
28,3
28,1
27,9
27,7
27,5
27,3
27,1
26,8
26,6
26,4
26,2
26,0
25,8
25,6
307
305
303
301
299
298
296
294
292
290
288
286
285
283
281
280
278
276
274
273
271
270
268
266
265
263
262
260
259
257
256
254
253
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3
По Бринеллю (НВ)
По Роквеллу (НRC)
По Виккерсу (НV)
251
249
248
246
245
244
243
241
240
239
237
236
235
234
232
231
230
229
228
226
225
25,4
25,2
25,0
24,8
24,6
24,4
24,2
24,0
23,8
23,6
23,4
23,2
23,0
22,8
22,6
22,4
22,2
22,0
21,8
21,6
21,5
251
250
249
247
246
244
243
242
240
239
238
237
235
234
233
231
230
229
228
227
225
Значение твердости характеризует предел прочности сталей
(кроме аустенитной и мартенситной структур) и многих цветных
сплавов (табл. 4).
Указанной количественной зависимости не наблюдается для
хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение, сжатие, кручение и изгиб разрушаются без заметной пластической
деформации, а при измерении твердости получают пластическую
деформацию. Однако в ряде случаев и для этих материалов
(например, серых чугунов) можно установить подобную зависимость. Твердость, установленная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлических материалов
(медь, дюралюминий, сталь в отожженном состоянии).
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4
Зависимость между пределом прочности σв
и твердостью НВ некоторых материалов
Материал
Сталь
Медь, латунь, бронза
отожженные
Медь, латунь, бронза
наклепанные
Алюминий
и алюминиевые сплавы
Дюралюминий:
отожженный
после закалки и старения
НВ
σв ≈ f (НВ), МПа
120…175
175…450
σв ≈ 3,4НВ
σв ≈ 3,5НВ
—
σв ≈ 5,5НВ
—
σв ≈ 4,0НВ
20…45
σв ≈ (3,3…3,6)НВ
—
—
σв ≈ 3,6НВ
σв ≈ 3,5НВ
Твердость можно измерять на деталях малой толщины, а также
в очень тонких слоях, иногда не превышающих десятых долей
миллиметра, или в микрообъемах материала (измерение микротвердости). Микротвердость используют как одну из характеристик качества поверхностного слоя, а также для оценки, например,
твердости отдельных структурных составляющих в сплавах.
Твердость неметаллических материалов в значительно меньшей
степени характеризует эксплуатационные свойства последних.
Основной причиной (более 80 % случаев) выхода из строя машин является износ рабочих поверхностей сопряженных деталей.
Износостойкостью называют способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Основной характеристикой износостойкости является интенсивность изнашивания, зависящая от свойств материала, условий
нагружения детали и ее технологических параметров [2]. Интенсивность изнашивания снижается при увеличении микротвердости
поверхности, предела прочности, модуля упругости, коэффициента Пуассона.
В зависимости от предельных значений температур эксплуатации принято различать:
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) детали холодного тракта машины (максимальное значение
температуры эксплуатации — не более 300 °С);
б) детали горячего тракта машины (максимальное значение
температуры эксплуатации превышает 300 °С и может достигать
1000 °С и более).
Жаропрочность — способность материала сохранять необходимую прочность при высокой температуре. Характеризуется пределом кратковременной прочности, пределом длительной прочности и пределом ползучести.
Предел кратковременной прочности используют при расчетах
на прочность деталей, эксплуатирующихся при высоких температурах весьма непродолжительное время (секунды, минуты). К таким деталям относят, например, детали горячего тракта ракетного
двигателя.
Пределом (условным) длительной прочности σtд.п.,Tз называют
напряжение, вызывающее разрушение при температуре t и заданном ресурсе Тз. Эту характеристику используют для расчетов на
прочность деталей, длительное время эксплуатирующихся при высокой температуре (например, деталей горячего тракта газотурбинного двигателя, валков прокатных станов).
Пределом ползучести называют напряжение, которое за конкретный промежуток времени при данной температуре вызывает
заданное удлинение образца (например, 1 %). Значение предела ползучести используют при расчетах на прочность деталей, эксплуатирующихся при высокой температуре весьма длительное время и испытывающих при этом значительные нагрузки (в том числе близкие
к постоянным). Такими деталями являются, например, детали вращающихся печей цементных заводов, стационарных турбин тепловых электростанций. Расчетная длительность работы детали может
составлять от сотен до сотен тысяч часов.
При длительной эксплуатации деталей из некоторых сталей в
интервале температур 450…650 °С наблюдается снижение ударной вязкости (отпускная обратимая хрупкость). Склонность к отпускной обратимой хрупкости должна учитываться при выборе
материала.
Детали многих машин подвергаются при эксплуатации воздействию химически активных (агрессивных) сред, что вызывает их
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коррозию. Коррозионная стойкость — способность материала к
сохранению своих механических свойств при эксплуатации в агрессивных средах.
Наиболее важными видами коррозии разрушения являются:
общая или равномерная коррозия; точечная или язвенная коррозия; щелевая коррозия; межкристаллитная коррозия; коррозионное
растрескивание (коррозия под напряжением).
Коррозионное растрескивание происходит при одновременном
воздействии значительных растягивающих напряжений и коррозионной среды, например морской воды, конденсата, сварочных
флюсов, обезжиривающих смесей, смазок, органических растворителей и различных химических веществ (табл. 5). Растягивающие
напряжения возникают на поверхности металла при статической
нагрузке.
Таблица 5
Среды, вызывающие коррозионное растрескивание
различных металлов и сплавов
Материал
Алюминиевые
сплавы
Медные сплавы
Алюминиевая
бронза
Аустенитные
коррозионно-стойкие
стали
Ферритные
коррозионно-стойкие
стали
Углеродистые
и низколегированные
стали
Среда
Вода и пар; содержащие NaCl морская
атмосфера и морская вода; воздух,
водяной пар
Тропическая атмосфера; ртуть; HgNO3;
бромиды; аммиак; органические
аминосоединения
Вода и пар; Н2SO4; щелочи
Хлориды, включая FeCl2, FeCl3, NaCl,
морские вода и атмосфера; H2SO4; фториды;
конденсат пара, полученного испарением
хлоридосодержащей воды; Н2S
Хлориды, включая NaCl; фториды; бромиды; йодиды; щелочи; нитраты; вода; пар
НCl; щелочи; нитраты; НNО3; НСN;
расплавленный цинк и сплавы Nа–Рb; Н2S;
H2SO4–НNO3; Н2SO4; морская вода
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 5
Материал
Среда
Высокопрочные
Морская вода и атмосфера, загрязненная
легированные стали
отходами промышленности
(при напряжениях выше
предела текучести)
Магний
Содержащие NaCl морская вода и морская
атмосфера; вода и пар; щелочи; N2O4; атмосфера сельской местности и морского побережья; дистиллированная вода
Свинец
Растворы уксусно-кислого свинца
Никель
Бромиды; щелочи; Н2SO4
Титан
Морская вода и морская атмосфера; среды,
содержащие NaCl при температуре 288 °С;
ртуть; расплавленный кадмий; AgCl
и серебро, растворы галогенидов в метиловом спирте; красная дымящаяся азотная
кислота; N2O4; хлор и фторпроизводные
углеводородов
При сравнении коррозионной стойкости металлов с различными плотностями наиболее удобным является глубинный показатель коррозии — уменьшение толщины металла вследствие коррозии, выраженное в линейных единицах и отнесенное к единице
времени.
Коррозионную стойкость сталей в [3] предложено оценивать
по пятибалльной шкале (табл. 6).
Таблица 6
Пятибалльная шкала коррозионной стойкости
14
Балл
Скорость коррозии, мм/год
Группа стойкости
1
2
3
4
5
< 0,1
0,1 – 1
1–3
3 – 10
> 10
Весьма стойкие
Стойкие
Пониженно-стойкие
Малостойкие
Нестойкие
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Шкала принята для оценки как общей, так и точечной коррозии
стали в воде и водных растворах.
Для многих материалов в литературе отсутствуют количественные данные по скорости коррозии, имеются лишь указания на
наличие склонности к ней. При подборе конструкционных материалов следует учитывать, что скорость точечной коррозии у тех
из них, которые подвержены этому виду разрушения, как правило,
в несколько раз превышает скорость общей коррозии.
Устойчивость материалов к газовой коррозии при высокой
температуре (свыше 550 °С) называют жаростойкостью (окалиностойкостью). Жаростойкость характеризуют предельным значением температуры эксплуатации материала с учетом заданного
ресурса.
Рассмотренные характеристики не учитывают всего многообразия эксплуатационных свойств деталей машин, однако являются
важнейшими для выбора материалов большинства деталей.
Технологические свойства материалов — часть их общих физико-химических свойств. Их знание позволяет более обоснованно
проектировать и изготавливать изделия с улучшенными для данного материала качественными показателями. Проектируя деталь,
конструктор должен с самого начала представлять процесс ее изготовления, начиная от получения исходной заготовки и заканчивая ее окончательной обработкой.
Основные технологические свойства объединены в группы, соответствующие основным видам исходных заготовок. Выделяют
литейные свойства, технологическую пластичность, обрабатываемость резанием, свариваемость.
Технологические свойства определяются различными характеристиками, некоторые из них являются количественными, другие — описательными (качественными) или сравнительными (как
по отношению к выбранному эталону, так и определенными по
принципу «лучше — хуже»). Иногда при выборе материалов и
исходных заготовок используют символьные сравнительные
шкалы, построенные на основе анализа изменения какой-либо
характеристики технологических свойств. Это существенно усложняет выбор материалов и заготовок, делая невозможным применение единого методического подхода к выбору и увеличивая
неопределенность его условий.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литейные свойства характеризуются жидкотекучестью, усадкой, склонностью к образованию усадочных раковин и пор, трещиноустойчивостью, газопоглощением и ликвацией.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла заполнять полость литейной формы, определяется длиной спирали в
сантиметрах (спиралевидная проба). При сравнении и выборе материалов может использоваться показатель жидкотекучести Кжт,
определяемый отношением значений жидкотекучести данного материала и эталона, за который взята сталь 30Л [3].
Усадка — уменьшение объема отливки при охлаждении жидкого металла в литейной форме до температуры окружающей среды. Различают линейную и объемную усадку, которые определяют
в процентах. Наименьшую линейную усадку имеют серый чугун и
силумины (0,9…1,3 %). Стали и некоторые сплавы имеют усадку
0,8…2,5 %. Вследствие усадки в массивных частях отливки образуются усадочные раковины и усадочная пористость.
В результате неравномерного охлаждения и механического
торможения усадки в отливках возникают напряжения, которые
могут стать причиной образования трещин (горячих трещин).
Трещиноустойчивость может характеризоваться показателем, равным отношению трещиноустойчивости данного материала и эталона Кту. Трещины часто образуются в стальных отливках, а также
в отливках из алюминиевых и магниевых сплавов.
Газопоглощение — способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять газы. Высокое газопоглощение ведет
к образованию в отливках газовых раковин и пор. Для уменьшения
газонасыщенности сплавов применяют плавление в вакууме, в среде инертных газов и другие методы.
Ликвация — неоднородность химического состава в различных
частях отливки. Зависит от химического состава сплава и условий
образования отливки.
Для предварительной оценки литейных свойств материала часто
ограничиваются характеристиками его жидкотекучести и усадки.
Остальные характеристики применяют при углубленном анализе,
предшествующем окончательному выбору материала, для чего используют сведения, приведенные в специальной литературе [4, 5].
Технологическая пластичность — способность металла изменять форму при обработке давлением без нарушения целостности.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме характеристик относительного удлинения и относительного
сужения образцов, для определения технологической пластичности действующими стандартами предусмотрен комплекс испытаний (на скручивание, развальцовку и т. д.). Технологическая пластичность существенно зависит от температуры материала и
должна рассматриваться не как неизменное свойство материала, а
как его состояние, зависящее от условий обработки. Обработка
металла давлением в холодном состоянии позволяет в 1,5 – 2 раза
увеличивать его прочность и твердость при одновременном
уменьшении пластичности.
В специализированных справочниках приводятся данные о видах и наиболее благоприятных условиях обработки материалов
давлением (прежде всего о температуре нагрева [3]). Однако при
выборе материала использование указанной информации не всегда
эффективно.
В качестве комплексного показателя, характеризующего обрабатываемость металла давлением (технологическую пластичность), предложено использовать показатель Кд:
Кд =
σ 0,2
σв
,
где σв — временное сопротивление (предел прочности при разрыве); σ0,2 — условный предел текучести с допуском на пластическую деформацию при нагружении 0,2 %. В зависимости от значений Кд даны условные оценки обрабатываемости давлением (технологической пластичности), приведенные в табл. 7.
Таблица 7
Шкала условных оценок обрабатываемости давлением
(технологической пластичности материалов)
Значение Кд
До 0,35 (включительно)
Свыше 0,35 до 0,5
» 0,5 » 0,65
» 0,65
Оценка обрабатываемости давлением (технологической пластичности)
Низкая
Удовлетворительная
Хорошая
Очень хорошая
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Можно использовать и другие показатели, например критерий
ковкости [3].
Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться
обработке резанием. При хорошей обрабатываемости обеспечиваются благоприятные условия резания и высокое качество обработки. Обрабатываемость сталей и сплавов резанием принято рассматривать с точки зрения влияния свойств этих материалов на
способность изнашивать режущий инструмент.
Обрабатываемость резанием сталей и сплавов определена для
условий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8
(для аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе), резцами
из быстрорежущей стали марок Р18 (63…65 НRC) и равной ей по
свойствам маловольфрамовой стали Р6М5Ф2 (64…66 НRC) при
постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подаче на оборот
0,2 мм и главного угла в плане 60° [3].
Обрабатываемость сталей и сплавов резанием оценена по скорости резания, соответствующей 60-минутной стойкости резцов
v60, и выражена коэффициентом Кv для условий точения твердосплавным инструментом и инструментами из быстрорежущей стали по отношению к эталонной стали. В качестве эталонной стали
выбрана углеродистая сталь 45 (179 НВ и σв = 650 Н/мм2), скорость резания v60 которой принята за единицу.
Коэффициент относительной обрабатываемости (Кv)тс данной
стали для условий точения твердосплавными резцами:
v
(К v ) тс = 60 ,
145
где v60 — скорость резания, соответствующая 60-минутной стойкости резцов при точении данного материала, м/мин; 145 — значение скорости резания при 60-минутной стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной стали марки 45.
Коэффициент обрабатываемости (Кv)бс для условий точения
резцами из быстрорежущей стали:
v60
,
70
где 70 — значение скорости резания при 60-минутной стойкости
быстрорежущих резцов при точении эталонной стали марки 45.
(К v ) бс =
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для принятых условий резания абсолютное значение скорости
резания v60 данной стали (сплава) определяется умножением ее
коэффициента Кv на соответствующее значение v60 эталонной стали 45 [3].
Значения коэффициентов (Кv)тc и (Кv)бс могут существенно различаться, что усложняет их использование при выборе материала.
В качестве коэффициента относительной обрабатываемости
резанием материала предложено использовать усредненный показатель Кv:
(К ) + (К v ) бс
К v = v тс
.
2
В зависимости от значений показателя Кv определены условные
оценки обрабатываемости резанием материала, приведенные в
табл. 8.
Таблица 8
Шкала условных оценок обрабатываемости резанием материалов
Значения Кv
До 0,6 (включительно)
Свыше 0,6 до 1,0
До 1,0
Оценка обрабатываемости резанием
Плохая
Удовлетворительная
Хорошая
Свариваемость сталей и сплавов является комплексной характеристикой, определяющейся, с одной стороны, технологическими
трудностями, возникающими при сварке, а с другой — эксплуатационной надежностью сварных соединений.
Материалы условно разделены на группы свариваемости (табл. 9).
Группы свариваемости материалов
Таблица 9
Группа
свариваемости
Характеристика
материалов группы
Комментарий
1
Свариваемые
без ограничений
При сварке нет необходимости применения каких-либо дополнительных
технологических операций (подогрева,
промежуточной термообработки и т. п.)
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 9
Группа
свариваемости
Характеристика
материалов группы
2
Ограниченно
свариваемые
3
Трудносвариваемые
4
Не применяемые
для сварных конструкций
Комментарий
При сварке необходимы дополнительные операции
Невозможно получить качественное
соединение без обязательного применения дополнительных операций
—
Свариваемость определяется:
– группой свариваемости (см. табл. 9);
– рекомендуемыми способами сварки;
– необходимостью дополнительных технологических операций
при сварке.
Группа свариваемости зависит от химического состава материала и степени разработки технологических приемов сварки в
производственных условиях.
Под технологическими дополнительными операциями подразумевается ряд мер, необходимых при сварке материалов 2-й и 3-й
групп, а в особых случаях и для 4-й группы. К их числу относятся:
необходимость предварительного и сопутствующего подогрева,
проковка швов, наложение отжигающих валиков, ограничение
скоростей нагрева и охлаждения при сварке, вылеживание после
сварки, немедленная термообработка после сварки и др. Назначение таких операций зависит от принятой технологии сварки и ряда
других причин, объяснение которых дается в соответствующей
технической литературе [6].
Необходимость подогрева при сварке и последующей термообработке указывается в характеристиках свариваемости. Нужны
ли другие операции, примеры которых были приведены выше, определяют при разработке технологического процесса сварки.
Хорошая свариваемость обеспечивает плотный сварной шов
без трещин и раковин.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Физико-механические свойства исходного материала могут
быть значительно изменены (улучшены) применением термической, химико-термической и других видов обработки. Конструктор при выборе материала обязательно должен учитывать
данное обстоятельство, оцениваемое по соответствующим характеристикам.
Упрочняемость — способность металлов и сплавов улучшать
свои свойства (прочность, износостойкость, твердость и др.) за
счет термической, химико-термической и других видов обработки.
Данная характеристика исключительно важна при выборе материалов деталей, эксплуатирующихся в условиях знакопеременных
динамических нагрузок. В частности, посадочные поверхности
(шейки) валов должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, а сердцевина материала той же зоны — высокой
ударной вязкостью. Это достигается за счет выбора материала,
пригодного для поверхностного упрочнения.
Незакаливаемость (ГОСТ 14019–2003) — способность металлов и сплавов не изменять свои прочностные и пластические свойства после нагревания и резкого охлаждения. Данная характеристика имеет большое значение при выборе материалов сварных
конструкций.
Прокаливаемость (ГОСТ 5657–69) характеризуется критическим диаметром прутка, закаливаемого насквозь. Это исключительно важная характеристика материалов, упрочняемых термической
обработкой.
К основным видам термической обработки относятся: отжиг,
нормализация, закалка, отпуск, улучшение, старение, обработка
холодом и различные методы химико-термической обработки.
Отжиг применяют для уменьшения твердости, исправления
структуры, снятия напряжений, устранения наклепа, улучшения
обрабатываемости резанием и подготовки структуры для последующей термической обработки. Отжиг бывает полный, неполный, изотермический, диффузионный, сфероидизационный, низкотемпературный, рекристаллизационный.
Нормализацию применяют для исправления структуры перегретой стали, снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости при подготовке структуры к последующей термической обработке.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Закалку используют для получения высокой твердости или определенных физико-механических свойств стали. Высокая твердость получается в результате быстрого охлаждения в закалочных
средах с температуры закалки. В последнее время наряду с традиционными закалочными средами (вода, минеральные масла, расплавы солей и др.) широко распространены водные растворы
отечественных полимеров (ЗСП-1; ПК-2; и др.) и бишофит (природная минеральная жидкость МgCl2 ⋅ 6Н2О). В зависимости от
способа нагрева закалка бывает объемной, поверхностной с нагревом током высокой частоты (ТВЧ), лазером, электронным лучом; в
зависимости от способа охлаждения закалка может быть изотермической, ступенчатой, с самоотпуском.
Отпуск нужен для уменьшения и полного снятия напряжений,
уменьшения твердости закаленной стали и увеличения пластичности.
Улучшение применяют для измельчения структуры, получения
наилучшего сочетания прочности и вязкости конструкционной
стали, улучшения обрабатываемости резанием. Оно заключается в
закалке с последующим высоким отпуском (500…680 °С).
Старение используют для стабилизации размеров после закалки и отпуска как промежуточную операцию в процессе финишной
обработки точных деталей.
Обработку холодом применяют для повышения твердости и
износостойкости закаленных сталей, а также для стабилизации
размеров прецизионных деталей, изготовленных из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей.
Химико-термическая обработка необходима для изменения
химического состава и свойств поверхностного слоя стали путем
совместного термического и химического воздействия. Широкое
применение в промышленности получили следующие виды химико-термической обработки деталей: цементация, нитроцементация,
цианирование, азотирование, карбонитрация.
Цементация — процесс поверхностного насыщения стали углеродом для получения после закалки высокой поверхностной
твердости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины.
Цементация осуществляется в твердом, жидком и газообразном
карбюризаторе. В последнее время распространены вакуумная и
ионная цементации.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нитроцементация — процесс поверхностного насыщения стали углеродом и азотом для получения после соответствующей
термической обработки высокой поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости при сохранении пластичной сердцевины. Нитроцементация выполняется в газовой среде.
Цианирование — процесс поверхностного насыщения стали
одновременно азотом и углеродом в расплаве, содержащем цианистые соли, для получения высокой поверхностной твердости,
износостойкости, высокого предела выносливости при изгибе и
контактной выносливости. Цианирование бывает высокотемпературным (800…950 °С) и низкотемпературным (540…560 °С).
Азотирование — процесс поверхностного насыщения стали
азотом для получения высокой поверхностной твердости, низкой
склонности к задирам, высокого предела выносливости, хорошей
сопротивляемости коррозии. Различают газовое азотирование,
ионное азотирование, азотирование в жидких средах, азотирование
в продуктах разложения карбамида.
Азотированный слой после газового или ионного азотирования
хорошо шлифуется и полируется, допускается съем слоя без потери качества порядка 0,05…0,07 мм на сторону.
Азотированный слой, полученный после азотирования в жидких
средах и в продуктах разложения карбамида, шлифовать нежелательно, так как при шлифовании будет удален поверхностный слой
(10…20 мкм) с высокой твердостью, поэтому в данном случае упрочнению подвергают окончательно готовые детали. Допускается
выполнять полирование, хонингование и зачистку поверхности.
Карбонитрация — процесс поверхностного насыщения стали
азотом и углеродом в расплавах неядовитых солей чистых цианидов
и цианомидов или в смеси меламина и карбонатов в целях создания
новой структуры (карбонитридного слоя) и улучшения свойств.
Шлифование карбонитридного слоя нежелательно, так как это приведет к существенному снижению износостойкости, поэтому карбонитрации подвергают окончательно готовые детали. Допускается
выполнять полирование, хонингование, зачистку поверхности.
Наряду с металлическими в машиностроении широко применяют неметаллические материалы, в частности пластмассы, технологические свойства которых определяются характеристиками,
отличными от характеристик свойств металлов.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основными технологическими свойствами пластмасс являются
текучесть, усадка, скорость отвердевания (реактопластов) и термостабильность (термопластов).
Текучесть — способность материала заполнять форму при определенных температуре и давлении. Она зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазки, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для
термопластичных (ненаполненных) материалов за показатель текучести принимают индекс расплава — количество материала, выдавливаемого через сопло экструзионного пластометра диаметром
2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу
времени.
Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости прессформы. Наибольшую долю в абсолютной величине усадки составляет разница между коэффициентами линейного расширения материала пресс-формы и материала пластмассовой детали. Значение
усадки зависит от физико-химических свойств связующей смолы,
количества и природы наполнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температурного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании прессформ. Помимо технологической усадки пластмассовые детали
характеризуют также эксплуатационная усадка, связанная с релаксацией напряжений, процессом старения и т. п.
Продолжительность процесса перехода термоактивного материала из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяется скоростью отвердения (полимеризации), которая зависит от свойств связующего
(термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая
скорость отвердения увеличивает время выдержки материала в
пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отвердения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате
чего отдельные участки формующей полости не будут заполнены
пресс-материалом и деталь пойдет в брак.
Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Для материалов с низкой термостабильностью необходимо
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предусматривать меры, предотвращающие возможность разложения их в процессе переработки, например увеличение сечения
литников, диаметра цилиндра и т. д.
Кроме приведенных характеристик технологические свойства
пластмасс определяют обрабатываемость резанием и свариваемость. Для оценки технологических свойств других неметаллических и композиционных материалов могут использоваться дополнительные характеристики.
Эффективность выбранного материала определяется тем, насколько комплексно учтены его основные свойства и возможность
их изменения при изготовлении деталей.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. ОСНОВНЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
2.1. Чугуны
Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий 2,0…3,5 % углерода, до
4,5 % кремния, до 1,5 % марганца, до 1,8 % фосфора и до 0,08 %
серы.
Эксплуатационные свойства чугуна зависят от характеристик металлической основы (ее прочности, пластичности, твердости и др.),
а также от формы, размеров и расположения углеродных включений
в его структуре. Наибольшее применение находят графитированные
чугуны: серые (с пластинчатым графитом), ковкие (с хлопьевидным
графитом), высокопрочные (с шаровидным графитом).
Серый чугун имеет достаточно высокую прочность (табл. 10),
коррозионно- и жаростоек, обладает специальными электромагнитными свойствами.
Серый чугун малочувствителен к надрезам, выточкам, буртикам и другим концентраторам напряжений. Серый чугун обладает
способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках, поэтому массивные корпусные детали (например,
станины) делают именно из чугуна, а не из стали. Применять серый чугун для деталей машин, подвергающихся ударным нагрузкам, нельзя, так как он хрупок и обладает низкой пластичностью.
Недостатком серых чугунов также является отбел поверхностного
слоя, приводящий к дополнительному увеличению хрупкости.
Серый чугун — наиболее дешевый литейный сплав. Обладает
очень хорошими литейными свойствами. Жидкотекучесть серого
чугуна значительно превышает жидкотекучесть стали. Усадка колеблется в пределах 0,9…1,3 %, что обеспечивает получение ка26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чественных отливок без усадочных раковин, трещин, коробления и
других дефектов.
Ковкий чугун ферритного класса (КЧ 30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12)
обладает повышенными пластичностью (табл. 11), сопротивляемостью ударным нагрузкам и однородностью механических
свойств по сечению отливок.
Таблица 10
Характеристика механических свойств серых чугунов
Чугун
σв, МПа, не менее
НВ
СЧ10
100
143 – 229
СЧ15
150
163 – 229
СЧ20
200
170 – 241
СЧ25
250
180 – 250
СЧ30
300
181 – 255
СЧ35
350
197 – 269
Таблица 11
Характеристики механических свойств ковких чугунов
Чугун
σв, МПа
δ, %
не менее
НВ
КЧ 30-6
294
6
100 – 163
КЧ 33-8
323
8
100 – 163
КЧ 35-10
333
10
100 – 163
КЧ 37-12
362
12
110 – 163
КЧ 45-7
441
7
150 – 207
КЧ 50-5
490
5
170 – 230
КЧ 55-4
539
4
192 – 241
КЧ 60-3
588
3
200 – 269
КЧ 65-3
637
3
212 – 269
КЧ 70-2
686
2
241 – 285
КЧ 80-1,5
784
1,5
270 – 320
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для ковких чугунов перлитного класса (КЧ 45-7; КЧ 65-3) характерны высокая прочность и износостойкость, средняя пластичность и хорошие антифрикционные свойства.
Ковкий чугун обладает более низкими литейными свойствами,
чем серый чугун, в частности пониженной жидкотекучестью, большей усадкой и повышенной склонностью к трещинообразованию.
Высокопрочный чугун обладает высокими пластичностью и
прочностью (табл. 12).
Таблица 12
Характеристики механических свойств высокопрочных чугунов
Чугун
σв, МПа
σ0,2, МПа
δ, %
не менее
НВ
ВЧ 35
ВЧ 40
ВЧ 45
350
400
450
220
245
305
22
15
10
140 – 170
140 – 202
140 – 225
ВЧ 50
ВЧ 60
ВЧ 70
ВЧ 80
ВЧ 100
500
600
700
800
1000
315
365
410
470
690
7
3
2
2
2
153 – 245
192 – 277
228 – 302
248 – 351
270 – 360
Высокопрочный чугун по литейным свойствам приближается к
сталям, т. е. имеет пониженную жидкотекучесть, повышенную
усадку, а следовательно, повышенную склонность к образованию
дефектов литейного происхождения.
Отдельные эксплуатационные свойства чугунов (коррозионная
стойкость, жаростойкость, износостойкость и их сочетания) могут
быть повышены легированием чугунов. Технологические свойства
легированных чугунов приближаются к свойствам высокопрочных.
Все чугуны хорошо обрабатываются резанием, но плохо свариваются (3-я группа свариваемости). Газовую и дуговую сварку, а
также заварку дефектов (особенно крупных) на чугунных отливках
выполняют по особой технологии.
Свойства чугунов определяют их назначение при изготовлении
деталей машиностроения (табл. 13).
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 13
Примерное назначение чугунов основных марок
Марка чугуна
Назначение
Серый чугун,
ГОСТ
1412–85
—
СЧ10
СЧ15
СЧ18
СЧ20
СЧ24
Умеренно нагруженные, работающие без трения детали, к которым предъявляют, главным образом, требование легкости, а не прочности. Неответственное литье
(плиты, крышки, корыта, грузы, кожухи, основания,
планшайбы, корпусы, шкивы, стойки, опоки, декоративные детали)
Умеренно нагруженные детали, работающие при давлении до 50 МПа между трущимися поверхностями. Малоответственное литье с толщиной стенки 8…15 мм
и невысокими требованиями к износостойкости (маховики, шкивы, поршневые кольца, салазки, арматура, сосуды,
работающие под давлением, детали сложной конструкции
при недопустимости большого коробления и невозможности проведения их старения, крупногабаритные отливки небольшой массы, детали станков, весов, энергетических, печатных, швейных и других машин)
Умеренно нагруженные детали, работающие на изнашивание, и ответственные отливки больших размеров
с толщиной стенки 8…25 мм (основания станков, втулки, крупные шкивы, зубчатые колеса, подшипники тихоходных передач, корпусы пневмоцилиндров, блоки
цилиндров, поршни)
Высоконагруженные детали, работающие на изнашивание в узлах высокой герметичности. Ответственное
литье с толщиной стенки 10…30 мм; детали, работающие при температуре до 300 °С (корпусы, гидроцилиндры, гильзы, станины с направляющими большинства
металлорежущих станков, диски сцепления, тормозные
барабаны)
Ответственные отливки с толщиной стенки 20…40 мм;
детали, работающие при температуре до 300 °С (блоки
автомобильных цилиндров, гильзы двигателей, поршни,
тяжело нагруженные зубчатые колеса, кокильные формы)
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 13
Марка чугуна
СЧ25
СЧ30
СЧ35
Ковкий чугун,
ГОСТ 1215–79
КЧ 30-6
КЧ 33-8
КЧ 35-10
30
Назначение
Ответственные, тяжело нагруженные детали, работающие
на изнашивание, в том числе при температуре до 300 °С
и давлении до 8 МПа, с толщиной стенки 20…60 мм
(корпусы насосов и гидроприводов, поршни и гильзы
дизелей, цилиндры и головки дизелей, штампы для
холодной вытяжки, блоки цилиндров, головки блоков,
гильзы автомобилей и тракторов, станины станков, клапаны и кулачки распределительных механизмов)
Ответственные, высоконагруженные детали, работающие при температуре до 300 °С и давлении до 8 МПа,
с толщиной стенки 20…100 мм (цилиндры и крышки
паровых машин, малые коленчатые валы, клапаны и
кулачки распределительных механизмов, тяжело нагруженные зубчатые колеса, цепные звездочки, тормозные барабаны, муфты, диски сцепления, клапаны
и поршневые кольца, станины прессов, блоки и плиты
многошпиндельных станков, станины с направляющими револьверных станков, автоматов и других интенсивно нагружаемых станков)
Наиболее ответственные, тяжело нагруженные литые
детали с массивными стенками, работающие при
больших нагрузках (крупные толстостенные втулки,
крупные зубчатые колеса, крупные коленчатые валы,
цепные звездочки, тормозные барабаны, муфты, диски
сцепления, штампы, клапаны, поршневые кольца)
—
Малонагруженные детали (хомутики, муфты, пальцы, гайки, звенья малонагруженных цепей, вентили, глушители)
Детали, работающие при умеренных статических
и динамических нагрузках (собачки, держатели, коромысла, подкладки, фланцы, педали, колодки, кронштейны, гаечные ключи)
Детали, эксплуатирующиеся при сложных переменных
и ударных нагрузках, а также при изгибе (балансиры,
тормозные колодки, тормозы, кронштейны, втулки,
крюки, скобы, картеры)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 13
Марка чугуна
КЧ 37-12
КЧ 45-7
КЧ 50-5
КЧ 55-4
КЧ 60-3
КЧ 65-3
Высокопрочный
чугун
с шаровидным
графитом,
ГОСТ 7293–85
ВЧ 50
ВЧ 60
ВЧ 35
ВЧ 45
Легированный
чугун, ГОСТ
7769–82
ЧХ1
ЧХ2
ЧХ3
Назначение
Детали, эксплуатирующиеся при высоких статических
и динамических нагрузках (ступицы, пальцы, дифференциалы, задние мосты)
Детали, эксплуатирующиеся при высоких статических
и динамических нагрузках в условиях интенсивного
изнашивания (коленчатые валы, вилки карданных
валов, шестерни, червячные колеса, поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,
муфты, тормозные колодки, звездочки, храповики)
—
Ответственные детали, испытывающие вибрационные
нагрузки (корпусы, зубчатые колеса, шатуны, стаканы
подшипников, диски ручных тормозов)
Детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного
изнашивания и испытывающие вибрационные нагрузки
(корпусы и станины станков, гильзы, каретки, цилиндры, накладные направляющие станков, диски ручных
тормозов)
—
Детали повышенной коррозионной стойкости в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях трения
и износа, а также жаростойкие в воздушной среде при
температуре эксплуатации до 500 °С (холодильные
плиты доменных печей, колосники агломерационных
машин, детали коксохимического оборудования,
детали газотурбинных двигателей и компрессоров,
кокили, выхлопные коллекторы дизелей)
Детали, жаростойкие при температурах эксплуатации
600…700 °С (детали турбокомпрессоров, стекломашин, термических печей)
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 13
Марка чугуна
ЧХ22
ЧХ28Д2
ЧЮХШ
ЧЮ7Х2
ЧНХТ
ЧНХМД
ЧН2Х
ЧНМШ
Назначение
Детали, высокоустойчивые к абразивному износу
и истиранию (детали горнодобывающего оборудования, установок непрерывной разливки стали, ковши,
пескометы и дробеметы)
Детали, жаростойкие в воздушной среде при температурах эксплуатации 650…750 °С, стойкие против истирания (пресс-формы, детали печного оборудования,
ролики чистовых клетей листопрокатных станов)
Детали с высоким сопротивлением изнашиванию и
коррозии в слабощелочных и газовых средах, в том
числе в продуктах сгорания топлива и техническом
кислороде (маслоты поршневых компрессионных и
маслосъемных колец, седел, направляющих втулок
клапанов дизелей и газомотокомпрессоров, блоки и
головки цилиндров, выхлопные патрубки двигателей
внутреннего сгорания, паровых машин и турбин,
поршни и гильзы цилиндров паровых машин, тепловозных и судовых дизелей, детали кислородных
и газовых мотокомпрессоров, дроссели, матрицы
штамповочных прессов)
Детали, обладающие высокими механическими
свойствами и термостойкостью при температурах
до 500 °С (крышки и днища цилиндров дизелей,
головки поршней, маслоты поршневых колец)
2.2. Стали и черные сплавы
Сталь — сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий до 2,14 % углерода и являющийся основным машиностроительным материалом. Сталь применяют для изготовления
деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать
высокой пластичностью и целым рядом других эксплуатационных
свойств, быть надежными и долговечными в эксплуатации.
Химический состав и основные свойства сталей подробно
представлены в [3].
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свойства сталей сильно зависят от содержания углерода и постоянных примесей (табл. 14). Чем больше содержание углерода,
тем выше твердость и прочность стали, но ниже пластичность и
вязкость. Наибольшие значения предела прочности σв и предела
выносливости σ–1 достигаются при содержании углерода около
0,9 %, но при этом резко снижаются пластичность и ударная вязкость (рис. 1).
Рис. 1. Влияние содержания углерода на механические свойства стали: предел прочности σв; предел выносливости σ–1; относительное удлинение δ;
относительное сужение ψ; твердость НВ; ударную
вязкость KCU
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14
Влияние постоянных примесей на свойства сталей
Наименование
примеси
Предельная
концентрация
в углеродистых
сталях, %
Сера (S)
0,025 – 0,06
Фосфор (Р)
0,025 – 0,07
Кремний (Si)
Марганец
(Мn)
До 0,4
До 0,08
Изменение свойств
при увеличении
концентрации
Красноломкость: склонность
к образованию трещин
при обработке давлением
при температуре свыше 1 000 °С.
Снижение динамической,
усталостной прочности,
износостойкости.
Склонность к зональным
ликвациям.
Улучшение стружкообразования
при обработке резанием
Повышение твердости, снижение
пластичности.
Хладноломкость: склонность
к образованию трещин
при температурах ниже нуля.
Склонность к зональным
ликвациям.
Улучшение обрабатываемости
резанием
Заметные изменения свойств
отсутствуют
Для нужд машиностроения поставляются стали соответствующего сортамента и по регламентированным стандартами техническим требованиям (табл. 15) с заданными характеристиками механических свойств (табл. 16 – 20).
34
Углеродистая обыкновенного качества;
ГОСТ 380–94;
Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп,
Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп,
Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп,
Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп,
Ст5пс, Ст5сп, Ст6пс и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
16523–97
19904–90
8509–93
8510–86
8239–89
8240–97
3560–73
6009–74
Уголки горячекатаные:
равнополочные
неравнополочные
Двутавры горячекатаные
Швеллеры горячекатаные
Лента упаковочная
из низкоуглеродистой стали
Лента горячекатаная из стали марок
БСт0 – БСт5 всех степеней раскисления
6009–74
3560–73
535–88
535–88
535–88
535–88
535–88
535–88
535–88
535–88
14637–89
16523–97
35
на технические
условия
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
19903–74
19903–74
на сортамент
ГОСТ
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
листовая толщиной свыше 3,9 мм
листовая толщиной до 3,9 мм
Холоднокатаная листовая
Сортамент
Стали. Марки, сортамент и технические требования
Таблица 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
36
36
Углеродистая качественная конструкционная;
ГОСТ 1050–88;
08, 10, 15, 20, 25, 30, 35,
40, 45, 50, 55, 60 и др.
Углеродистая обыкновенного качества;
ГОСТ 380–94;
Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп,
Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп,
Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп,;
Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп,
Ст5пс, Ст5сп, Ст6пс,
Ст6сп и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
9567–75
Трубы прецизионные горячедеформированные из стали марок
Ст2сп – Ст6сп
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
10704–91
10707–80
8732–78
Трубы бесшовные горячедеформированные из стали марок Ст2сп – Ст6сп
Трубы электросварные из стали
марок Ст2 – Ст4 всех степеней
раскисления:
прямошовные
холоднодеформированные
3262–75
19851–74
на сортамент
Трубы водогазопроводные
Лента холоднокатанная из стали
марок Ст1 – Ст3 всех степеней
раскисления
Сортамент
ГОСТ
1050–88
1050–88
1050–88
1050–88
10705–80
10707–80
—
—
3262–75
19851–74
на технические
условия
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Углеродистая качественная конструкционная;
ГОСТ 1050–88;
08, 10, 15, 20, 25, 30, 35,
40, 45, 50, 55, 60 и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
7417–75
8559–75
8560–78
1133–71
4405–75
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Кованая:
круглая и квадратная
полосовая
Лента холоднокатаная:
из низкоуглеродистой стали
марок 08, 10
из углеродистой конструкционной
стали
2284–79
2284–79
1050–88
1050–88
1050–88
1050–88
1050–88
1050–88
16523–97
1577–93
1577–93
16523–97
на технические
условия
503–81
ГОСТ
503–81
14955–77
19904–90
Холоднокатаная листовая
Качественная круглая со специальной
отделкой поверхности
82–70
19903–74
19903–74
на сортамент
Горячекатаная:
широкополосная, кроме стали
марок 50, 55, 60
листовая толщиной свыше 3,9 мм
листовая толщиной до 3,9 мм
Сортамент
37
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37
38
38
Углеродистая качественная конструкционная;
ГОСТ 1050–88;
08, 10, 15, 20, 25, 30, 35,
40, 45, 50, 55, 60 и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
3560–73
17305–91
792–67
3262–75
8732–78
8734–75
9567–75
9567–75
Проволока из углеродистой
конструкционной стали:
низкоуглеродистая
качественная
Трубы водогазопроводные
Трубы бесшовные из стали марок
10, 20, 35, 45:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Трубы прецизионные из стали марок
10, 20, 35, 45:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
—
—
—
—
3262–75
17305–91
792–67
3560–73
21996–76
21996–76
на технические
условия
19851–74
ГОСТ
19851–74
на сортамент
Лента упаковочная
из низкоуглеродистой стали
Лента холоднокатаная:
резаная из стали марок 08, 10, 15, 20
термообработанная из стали марок
50, 60
Сортамент
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкционная повышенной и высокой
обрабатываемости резанием; ГОСТ 1414–75;
А12, А20, А30, А40Г и др.
Углеродистая качественная конструкционная;
ГОСТ 1050–88;
08, 10, 15, 20, 25, 30, 35,
40, 45, 50, 55, 60 и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
2590–88
2591–88
2879–88
7417–75
8559–75
8560–78
14955–77
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Качественная круглая со специальной
отделкой поверхности
21729–76
Трубы конструкционные
из стали марки 45
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
10704–91
10707–80
на сортамент
Трубы электросварные из стали марок
08, 10, 15, 20:
прямошовные
холоднодеформированные
Сортамент
ГОСТ
1414–75
1414–75
1414–75
1414–75
1414–75
1414–75
1414–75
21729–76
10705–80
10707–80
на технические
условия
39
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
39
40
40
Низколегированная;
ГОСТ 19281–89;
09Г2, 14Г2, 09Г2С,
10ХСНД, 15ХСНД и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
2590–88
2591–88
82–70
103–76
19903–74
19903–74
19904–90
8509–86
8510–86
8239–89
8240–89
19425–74
26020–83
Холоднокатаная листовая
Уголки горячекатаные:
равнополочные
неравнополочные
Двутавры горячекатаные
Швеллеры горячекатаные
Балки двутавровые
и швеллеры специальные
Двутавры горячекатаные
с параллельными гранями полок
на сортамент
Горячекатаная:
круглая
квадратная
широкополосная
полосовая
листовая толщиной свыше 3,9 мм
листовая толщиной до 3,9 мм
Сортамент
ГОСТ
19281–89
19281–89
19281–89
19281–89
19281–89
19281–89
17066–94
19281–89
19281–89
19281–89
19281–89
19281–89
17066–94
на технические
условия
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Легированная
конструкционная;
ГОСТ 4543–71;
15Х, 20Х, 30Х, 40Х, 45Х,
50Х, 10Г2, 15Г, 20Г, 30Г,
40Г, 45Г, 50Г, 18ХГТ,
33ХС, 30ХМ, 30XМA,
40ХФА, 20ХН, 40ХН,
20ХНЗА, 20ХГСА,
25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА,
35ХГСА, 20ХГНТР,
40ХН2МА и др.
Низколегированная;
ГОСТ 19281–89;
09Г2, 14Г2, 09Г2С,
10ХСНД, 15ХСНД и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
Трубы бесшовные
из стали марки 09Г2С:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Трубы прецизионные
из стали марки 09Г2С:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
широкополосная из стали марок
20Х; 30Х; 40Х
широкополосная из стали марок
25ХГСА; 30ХГСА и др.
листовая из стали марок 15Г, 20Г,
50Г, 10Г2, 20Х, 40Х, 45Х и др.
толщиной свыше 3,9 мм
листовая из стали марок 25ХГСА,
30ХГСА толщиной свыше 3,9 мм
листовая из стали марок 25ХГСА,
30ХГСА толщиной до 3,9 мм
Сортамент
—
—
—
8733–74
4543–71
4543–71
4543–71
4543–71
1577–81
11269–76
1577–81
11269–76
11268–76
8734–75
9567–75
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
82–70
82–70
19903–74
19903–74
19903–74
на технические
условия
8732–78
8734–75
на сортамент
ГОСТ
41
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41
42
42
Легированная
конструкционная;
ГОСТ 4543–71;
15Х, 20Х, 30Х, 40Х, 45Х,
50Х, 10Г2, 15Г, 20Г, 30Г,
40Г, 45Г, 50Г, 18ХГТ,
33ХС, 30ХМ, 30XМA,
40ХФА, 20ХН, 40ХН,
20ХНЗА, 20ХГСА,
25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА,
35ХГСА, 20ХГНТР,
40ХН2МА и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
Трубы бесшовные из стали марок
10Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА и др.:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Лента холоднокатаная
из стали марки 50Г
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
Холоднокатаная листовая из стали
марок 25ХГСА, 30ХГСА и др.:
толщиной свыше 3,9 мм
толщиной до 3,9 мм
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Кованая круглая и квадратная
Сортамент
4543–71
1133–71
8732–78
8734–75
2283–79
—
—
2283–79
4543–71
4543–71
4543–71
4543–71
7417–75
8559–75
8560–78
14955–77
11269–76
11268–76
на технические
условия
19904–90
19904–90
на сортамент
ГОСТ
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7350–77
19903–74
19904–90
Холоднокатаная листовая из стали
марки 15Х5М толщиной свыше 3,9 мм
7350–77
20072–74
20072–74
20072–74
—
—
на технические
условия
2590–88
2591–88
103–76
Теплоустойчивая;
ГОСТ 20072–74;
12МХ, 12Х1МФ,
20Х3МВФ, 15Х5М,
15Х5ВФ и др.
9567–75
9567–75
на сортамент
ГОСТ
Горячекатаная:
круглая
квадратная
полосовая
листовая из стали марки 15X5М
толщиной свыше 3,9 мм
Трубы прецизионные из стали марок
10Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА и др.:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Сортамент
Легированная
конструкционная;
ГОСТ 4543–71;
15Х, 20Х, 30Х, 40Х, 45Х,
50Х, 10Г2, 15Г, 20Г, 30Г,
40Г, 45Г, 50Г, 18ХГТ,
33ХС, 30ХМ, 30XМA,
40ХФА, 20ХН, 40ХН,
20ХНЗА, 20ХГСА,
25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА,
35ХГСА, 20ХГНТР,
40ХН2МА и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
43
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
43
44
44
Рессорно-пружинная углеродистая и легированная;
ГОСТ 14959–79;
75, 85, 65Г, 55С2, 60С2,
60С2А, 50ХФА, 65С2ВА,
70С2ХА и др.
Подшипниковая;
ГОСТ 801–78;
ШХ15, ШХ15СГ
Теплоустойчивая;
ГОСТ 20072–74;
12МХ, 12Х1МФ,
20Х3МВФ, 15Х5М,
15Х5ВФ и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
14955–77
4727–83
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
Проволока
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
7417–75
Калиброванная круглая
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
2590–88
2591–88
103–76
1133–71
Кованая круглая и квадратная
Горячекатаная:
круглая
квадратная
полосовая
7417–75
8559–75
8560–78
на сортамент
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Сортамент
ГОСТ
14959–79
14959–79
14959–79
14959–79
4727–83
801–78
801–78
801–78
801–78
801–78
20072–74
20072–74
20072–74
20072–74
на технические
условия
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рессорно-пружинная углеродистая и легированная;
ГОСТ 14959–79;
75, 85, 65Г, 55С2, 60С2,
60С2А, 50ХФА, 65С2ВА,
70С2ХА и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
1133–71
4405–75
7417–75
8559–75
8560–78
14959–79
2283–79
2284–79
21996–76
Горячекатаная и кованая полосовая
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Качественная круглая со специальной
отделкой поверхности
Лента холоднокатаная:
из легированной стали
из углеродистой стали
термообработанная
19904–90
Холоднокатаная листовая
Кованая круглая и квадратная
—
19903–74
2283–79
2284–79
21996–76
14959–79
14959–79
14959–79
14959–79
14959–79
14959–79
—
1577–93
на технические
условия
19903–74
на сортамент
Горячекатаная:
листовая из стали марок 60Г, 65Г,
70Г, 65; 70 толщиной свыше 3,9 мм
листовая из стали марок 60Г, 65Г,
70Г, 65, 70 толщиной до 3,9 мм
Сортамент
ГОСТ
45
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
45
46
46
7417–75
8559–75
8560–78
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Лента термообработанная
Лента холоднокатаная
21996–76
2283–79
14955–77
4405–75
Горячекатаная и кованая полосовая
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
Нелегированная
инструментальная;
ГОСТ 1435-99;
У7, У8, У10, У12, У7А,
У8А, У10А, У12А и др.
14963–78
9389–75
на сортамент
Проволока:
из легированной стали
из углеродистой стали
Сортамент
Рессорно-пружинная углеродистая и легированная;
ГОСТ 14959–79;
75, 85, 65Г, 55С2, 60С2,
60С2А, 50ХФА, 65С2ВА,
70С2ХА и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
ГОСТ
21996–76
2283–79
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
1435–99
14963–78
9389–75
на технические
условия
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Инструментальная
быстрорежущая;
ГОСТ 19265–73;
Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р9К5
и др.
Инструментальная
легированная;
ГОСТ 5950–2000;
9ХС, ХВГ, Х6ВФ, Х12,
5ХГМ и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
1133–71
7417–75
8559–75
8560–78
Кованая круглая и квадратная
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
2590–88
2591–88
4405–75
1133–71
Горячекатаная и кованая полосовая
Кованая круглая и квадратная
2283–79
Горячекатаная:
круглая
квадратная
Лента холоднокатаная
14955–77
4405–75
Горячекатаная и кованая полосовая
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
2590–88
2591–88
на сортамент
Горячекатаная:
круглая
квадратная
Сортамент
ГОСТ
19265–73
19265–73
19265–73
19265–73
2283–79
5950–2000
5950–2000
5950–2000
5950–2000
5950–2000
5950–2000
5950–2000
5950–2000
на технические
условия
47
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
47
48
48
Высоколегированная
и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие
и жаропрочные;
ГОСТ 5632–72;
95Х18, 10Х11Н20Т3Р,
08Х13, 12Х13, 20Х13,
30Х13, 40Х13, 08Х17Т,
12Х17, 10Х17Н13М2Т,
2Х18Н9, 08Х18Н10,
08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т,
08Х22Н6Т, 20Х23Н13
и др.
Инструментальная
быстрорежущая;
ГОСТ 19265–73;
Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р9К5
и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
4405–75
1133–71
Кованая круглая и квадратная
19904–90
19904–90
Холоднокатаная листовая:
толщиной свыше 3,9 мм
толщиной до 3,9 мм
Горячекатаная и кованая полосовая
2590–88
2591–88
2879–88
103–76
19903–74
19903–74
14955–77
7417–75
на сортамент
Горячекатаная:
круглая
квадратная
шестигранная
полосовая
листовая толщиной свыше 3,9 мм
листовая толщиной до 3,9 мм
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
Калиброванная круглая
Сортамент
ГОСТ
5949–75
5949–75
7350–77
5582–75
5949–75
5947–75
5949–75
5949–75
7350–77
5582–75
19265–73
19265–73
на технические
условия
Продолжение табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Высоколегированная
и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие
и жаропрочные;
ГОСТ 5632–72;
95Х18, 10Х11Н20Т3Р,
08Х13, 12Х13, 20Х13,
30Х13, 40Х13, 08Х17Т,
12Х17, 10Х17Н13М2Т,
2Х18Н9, 08Х18Н10,
08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т,
08Х22Н6Т, 20Х23Н13
и др.
Наименование стали;
ГОСТ на марку;
марки стали
9940–81
9941–81
11068–81
Трубы электросварные
18143–72
4986–79
14955–77
7417–75
8559–75
8560–78
на сортамент
Трубы бесшовные:
горячедеформированные
холодно- и теплодеформированные
Проволока
Лента холоднокатаная
Качественная круглая
со специальной отделкой поверхности
Калиброванная:
круглая
квадратная
шестигранная
Сортамент
ГОСТ
11068–81
9940–81
9941–81
18143–72
4986–79
5949–75
5949–75
5949–75
5949–75
на технические
условия
49
Окончание табл. 15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 16
Твердость по Бринеллю стали в состоянии поставки, не более
Состояние поставки
Марка стали
Горячекатаная
без термообработки
с термообработкой
Калиброванная
без термообработки
с термообработкой
Сталь, ГОСТ 1050–88
10
143
—
187
143
15
149
—
197
149
20
163
—
207
163
25
170
—
217
170
30
179
—
229
179
35
207
—
229
187
40
217
187
241
190
45
229
197
241
207
50
241
207
255
217
60
285
229
—
229
Сталь, ГОСТ 1414–75
А12
160
—
217
—
А20
168
—
217
—
А30
185
—
223
—
А40Г
207
—
—
229
Сталь, ГОСТ 4543–71
50
15Х
217
179
217
179
20Х
229
179
229
194
25ХГТ
—
217
269
217
18ХГТ
229
217
229
217
12ХНЗА
—
217
—
217
20ХНЗА
—
255
—
—
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 16
Состояние поставки
Марка стали
Горячекатаная
Калиброванная
без термообработки
с термообработкой
без термообработки
с термообработкой
20ХГНР
—
197
—
197
40Х
—
217
269
232
50Х
—
229
269
229
40ХФА
—
241
269
256
35ХГСА
—
241
269
241
35ХМ
—
241
269
241
40ХН
—
207
269
207
45ХН
—
207
—
—
40ХН2МА
—
269
269
269
38Х2МЮА
—
229
255
244
20ХЗМВФ
—
269
—
—
38Х2Н2МА
—
269
—
—
Сталь, ГОСТ 14959–79
65Г
285
241
285
241
60С2А
302
269
302
269
50ХФА
302
269
302
269
Сталь, ГОСТ 5632–72
20Х13
—
197
—
197
40Х13
—
229
—
229
14Х17Н2
—
285
—
285
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 17
Характеристики механических свойств (не менее)
углеродистых сталей обыкновенного качества
σт, МПа
Марка
стали
δ, %
для толщины, мм
σв, МПа
≤ 20
21 –
40
41 –
100
> 100
≤ 20
21 –
40
> 40
310
—
—
—
—
23
22
20
Ст2кп
320 – 420
220
210
200
190
33
32
30
Ст2пс, сп
340 – 440
230
220
210
200
32
31
29
Ст3кп
370 – 470
240
230
220
200
27
26
24
Ст3пс, сп
380 – 490
250
240
230
210
26
25
23
Ст3гпс
380 – 500
250
240
230
210
25
23
—
Ст4кп
410 – 520
260
250
240
230
25
24
22
Ст4пс, сп
420 – 540
270
260
250
240
24
23
21
Ст5пс, сп
500 – 640
290
280
270
260
20
19
17
Ст6пс, сп
> 600
320
310
300
300
15
14
12
Ст0
Таблица 18
Характеристики механических свойств (не менее)
углеродистых качественных конструкционных сталей
52
Марка
стали
σв
Ст08
10
15
20
25
30
35
325
335
375
410
450
490
530
σт
δ
МПа
ψ
КСU,
Дж/см2
60
55
55
55
50
50
45
—
—
—
—
90
80
70
%
195
205
225
240
270
290
310
33
31
27
25
23
21
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 18
Марка
стали
σв
40
45
50
55
60
570
600
630
650
680
σт
δ
330
350
370
380
400
19
16
14
13
12
МПа
ψ
КСU,
Дж/см2
45
40
40
35
35
59
49
39
—
—
%
Таблица 19
Характеристики механических свойств (не менее)
низколегированных сталей
Марка стали
09Г2
14Г2
16ГС
17ГС
17Г1С
09Г2С
10Г2С1
Толщина
проката,
мм
4 – 32
4 – 160
4 – 20
4 – 160
4 – 100
σв
σт
δ, %
МПа
440
450 –
460
450 –
490
450 –
510
430 –
490
290 –
300
320 –
330
270 –
320
330 –
350
260 –
340
290 –
350
21
КСU, Дж/см2,
при температуре, °С
+20
–40
–70
—
—
21
50
23
—
21
21
59 –
64
18Г2АФпс
4 – 32
590
440
19
—
10ХСНД
4 – 40
510 –
530
390
19
—
15ХСНД
4 – 32
490
340
21
—
34 –
39
29 –
34
29 –
39
34 –
44
34 –
39
29 –
39
39 –
44
39 –
49
29 –
39
—
—
24 –
29
—
29 –
34
24 –
29
—
29 –
34
29
П р и м е ч а н и е . Диапазон значений, например 29 – 39, указывает на крайние значения характеристик в зависимости от толщины проката.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Достижения специальных эксплуатационных свойств (жаропрочности, жаро-, кислото-, коррозионностойкости и др.) добиваются использованием легированных сталей. Легированные стали
применяют для изготовления деталей малого сечения сложной
геометрической формы.
Таблица 20
Характеристики механических свойств (не менее)
некоторых легированных конструкционных сталей (ГОСТ 4543–71)
Марка стали
σв
σ0,2
МПа
δ
Ψ
%
KСU,
Дж/см2
Стали с прокаливаемостью до 25 – 35 мм
880
690
12
45
69
980
780
10
45
59
880
730
10
50
88
Стали с прокаливаемостью до 75 мм
30ХГС
1080
830
10
45
44
40ХН
980
785
11
45
69
45ХН
1080
880
9
40
49
Стали с прокаливаемостью 75 – 100 мм
30ХНЗА
980
785
10
50
78
40ХН2МА
1080
930
12
50
78
Стали с прокаливаемостью более 100 мм
36Х2Н2МФА
1180
1080
12
50
78
38ХН3МФА
1180
1080
12
50
78
30Х
40Х
40ХФА
*
НВ*
187
217
241
229
207
207
241
269
269
269
Твердость в отожженном состоянии, не более.
Введение в стали никеля способствует повышению сопротивления стали хрупкому разрушению, увеличению пластичности и вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений и понижению температуры порога хладноломкости. Поскольку
никель — дорогой металл, его вводят в стали вместе с хромом и
другими элементами в предельно минимальных количествах.
После термической обработки (отпуска) легированная сталь
обладает более высокой прочностью и твердостью, но меньшей
пластичностью и вязкостью, чем углеродистая.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение молибдена и вольфрама повышает прокаливаемость,
способствует образованию мелкозернистой структуры стали. Молибден позволяет повысить твердость и прокаливаемость цементированного слоя.
Кремний способствует повышению вязкости и снижению
чувствительности стали к надрезу.
В целом в отожженном и нормализованном состоянии легированная сталь имеет бóльшую прочность, но меньшую пластичность, чем углеродистая. При термическом упрочнении сталей
обыкновенного качества прочность может быть повышена
в 1,5 раза при сохранении высокой пластичности и увеличении
ударной вязкости. При этом возможно использование деталей при
низких температурах.
Технологические свойства сталей определяются не только их
химическим составом, но и состоянием поставки, и в зависимости
от последнего могут существенно варьироваться, что делает невозможными их однозначные качественные оценки. В связи с этим
подчеркнем условность качественных оценок технологических
свойств в соответствии с примененными шкалами (см. табл. 7 – 9).
Основным видом поставки углеродистых, низколегированных,
легированных сталей, коррозионно-стойких, жаростойких, жаропрочных сплавов является прокат (см. табл. 15). Указанные материалы имеют невысокие и нестабильные литейные свойства. Жидкотекучесть нелегированной конструкционной стали в среднем в 2 раза
меньше жидкотекучести серых чугунов и определяется содержанием
углерода в стали — по мере увеличения содержания углерода жидкотекучесть возрастает. Вследствие этого литейные свойства указанных
материалов не оцениваются (табл. 21). Оценки технологических
свойств литейных сталей и сплавов приведены в табл. 22.
Увеличение содержания углерода в стали повышает жидкотекучесть, снижает линейную усадку, что уменьшает опасность образования горячих трещин, однако высокоуглеродистые стали обладают склонностью к образованию холодных трещин.
Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания в стали марганца, хрома, бора, никеля и молибдена. Конкретному сечению стальной детали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе технологические свойства
(например, свариваемость, обрабатываемость резанием) ухудша55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ются. Если содержание хрома или марганца превышает 1 %, увеличивается порог хладноломкости стали. Поэтому содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим сквозную прокаливаемость для конкретного сечения детали и
условий охлаждения при закалке.
Эксплуатационные и технологические свойства деталей и черных сплавов определяют их примерное назначение при изготовлении изделий машиностроения (табл. 23, 24).
Таблица 21
Оценки технологических свойств некоторых сталей
и черных сплавов
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Кд
Оценка
Обрабатываемость
резанием
Кv,
твердый
сплав
Кv,
быстрорежущая
сталь
Оценка
Группа
свариваемости
Углеродистая сталь обыкновенного качества, ГОСТ 380–94
Ст0
Ст3сп
Ст6сп
—
0,55
0,53
Х
Х
Х
2,10
1,8
0,95
1,65
1,6
0,95
Х
Х
У
1
1
2
Углеродистая качественная конструкционная сталь, ГОСТ 1050–88
08
10
20
30
40
45
56
0,61
0,62
0,50 –
0,64
0,44 –
0,64
0,41 –
0,58
0,36 –
0,60
Х
Х
2,10
2,10
1,65
1,60
Х
Х
1
1
Х
1,70
1,60
Х
1
У-Х
1,5
1,26
Х
2
У-Х
1,2
1,05
Х
2
У-Х
1,0
1,0
Х
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 21
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Кд
0,36 –
0,59
0,35 –
0,60
0,50 –
0,65
50
55
60
Обрабатываемость
резанием
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
Группа
свариваемости
Оценка
Кv,
твердый
сплав
У-Х
1,0
0,7
У
3
У-Х
1,0
0,65
У
4
Х
0,75
0,65
У
4
Конструкционная сталь повышенной
и высокой обрабатываемости резанием, ГОСТ 1414–75
А12
А20
А40Г
А30
0,66
—
—
—
ОХ
У
У
У
1,6
—
1,3
0,97
—
—
1,0
—
Х
Х
Х
У
4
4
3
4
Углеродистая низколегированная сталь, ГОСТ 19281–89
09Г2
14Г2
09Г2С
10ХСНД
15ХСНД
0,68
0,70
0,71
0,76
0,70
ОХ
ОХ
ОХ
ОХ
ОХ
1,6
1,6
1,6
1,4
1,48
1,0
1,2
1,0
1,12
1,30
Х
Х
Х
Х
Х
1
1
1
1
1
Легированная конструкционная сталь, ГОСТ 4543–71
15Х
20Х
30Х
40Х
0,5 –
0,65
0,5 –
0,81
0,61
0,52
Х-ОХ
1,12
0,9
Х
1
Х-ОХ
1,7
1,3
Х
1
Х
Х
1,0
1,2
0,85
0,95
У
Х
2
3
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 21
Марка стали
(сплава)
45Х
50Х
10Г2
15Г
20Г
30Г
40Г
45Г
50Г
18ХГТ
33ХС
30ХМ
30ХМА
40ХФА
20ХН
40ХН
20ХН3А
20ХГСА
25ХГСА
30ХГС
30ХГСА
35ХГСА
20ХГНР
30ХН2МА
38ХН3МА
58
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Обрабатываемость
резанием
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
Группа
свариваемости
Кд
Оценка
Кv,
твердый
сплав
0,56
0,58
0,60
0,60
0,60
0,58
0,60
0,60
0,60
0,58
0,78
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
ОХ
1,2
0,85
1,92
1,6
1,00
1,0
0,95
0,95
0,90
1,10
0,7
0,95
0,80
1,86
1,3
0,95
0,8
0,70
0,70
0,70
1,0
0,4
Х
У
Х
Х
Х
У
У
У
У
Х
П
3
3
1
1
1
2
2
3
2
1
3
0,65
Х
0,7
0,3
П
2
0,64
0,62
0,58
0,80
0,81
0,77
Х
Х
Х
ОХ
ОХ
ОХ
0,75
0,95
0,8
0,95
0,7
0,8
0,65
0,9
0,6
0,8
0,6
0,72
У
У
У
У
У
У
2
2
3
2
1
1
0,64
Х
0,7
0,5
П
2
0,86
0,87
0,86
0,83
ОХ
ОХ
ОХ
ОХ
0,8
0,8
0,63
0,7
0,75
0,75
0,36
0,5
У
У
П
П
2
2
2
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 21
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
КД
40ХН2МА
20ХН4ФА
20ХМ
12МХ
12Х1МФ
(ЭИ575)
20Х3МВФ
(ЭИ415, ЭИ579)
15Х5М
15Х5ВФ
Оценка
Обрабатываемость
резанием
Кv,
твердый
сплав
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
0,82
ОХ
0,7
0,4
0,84
ОХ
0,72
0,63
0,76
ОХ
0,9
0,53
Теплоустойчивая сталь, ГОСТ 20072–74
0,57
Х
1,6
1,4
П
У
У
3
3
2
Х
1
0,54
Х
1,5
1,35
Х
2
0,81
ОХ
0,8
0,4
П
2
Х
Х
2
2
0,55
Х
2,1
2,0
0,55
Х
2,0
1,9
Подшипниковая сталь, ГОСТ 801–78
0,56 –
Х-ОХ
0,90
0,36
У
0,74
ШХ15СГ
0,59
Х
0,90
0,36
У
Рессорно-пружинная углеродистая и легированная сталь,
ГОСТ 14959–99
75
0,82
ОХ
0,85
—
У
85
0,86
ОХ
0,8
—
У
0,58 –
65Г
Х-ОХ
0,85
0,8
У
0,8
50ХФА
0,85
ОХ
0,75
0,35
П
55С2
0,93
ОХ
0,65
0,35
П
60С2, 60С2А
0,93
ОХ
0,70
0,27
П
65С2ВА
0,90
ОХ
0,26
0,1
П
70С2ХА
0,90
ОХ
0,26
0,1
П
ШХ15
Группа
свариваемости
2
2
4
4
4
4
4
4
4
4
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 21
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Кд
Оценка
Обрабатываемость
резанием
Кv,
твердый
сплав
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
Группа
свариваемости
Нелегированная инструментальная сталь, ГОСТ 1435–99
У7, У7А
—
У
1,2
1,1
Х
У8,У8А
—
У
1,12
1,0
Х
У10,У10А
—
У
1,1
1,0
Х
У12,У12А
—
У
1,0
0,9
У
Инструментальная легированная сталь, ГОСТ 5950–2000
9ХС
0,53
Х
0,9
0,95
У
ХВГ
—
У
0,75
0,35
П
Х6ВФ
—
У
0,9
0,5
У
Х12
—
У
0,8
0,35
П
5ХГМ
—
У
0,6
0,3
П
Высоколегированная сталь и сплавы коррозионно-стойкие,
жаростойкие и жаропрочные, ГОСТ 5632–72
95Х18
—
У
0,86
0,35
У
(9Х18, ЭИ229)
10Х11Н20ТЗР
0,5 –
Х
—
—
У
(ЭИ696)
0,65
08Х13
0,70
ОХ
1,4
0,7
Х
(ЭИ496)
12Х13
0,70
ОХ
0,8
0,5
У
20Х13
0,72
ОХ
0,7
0,45
П
30Х13
0,8
ОХ
0,7
0,45
П
40Х13
—
ОХ
0,6
0,4
П
08Х17Т
—
ОХ
0,85
0,35
П
(ЭИ645)
60
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
2
2
2
2
4
4
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 21
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Кд
Оценка
Обрабатываемость
резанием
Кv,
твердый
сплав
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
12Х17
0,63
Х
0,85
0,35
П
10Х17Н13М2Т
0,44
У
0,85
0,5
У
(ЭИ448)
12Х18Н9
0,40
У
1,0
—
У
12Х18Н9Т
0,40
У
0,85
0,5
У
08Х18Н10
0,40
У
1,1
0,35
У
08Х18Н10Т
0,40
У
1,1
0,35
У
12Х18Н10Т
0,44
У
0,60
0,35
П
08Х22Н6Т
0,58
Х
0,8
0,4
П
20Х23Н13
0,60
Х
0,7
0,4
П
(ЭИ319)
15Х25Т
0,67
ОХ
0,9
0,6
У
(ЭИ439)
Сплав на железоникелевой основе, ГОСТ 5632–72
ХН32Т
0,41
У
—
—
У
(ЭП670)
ХН35ВТ
0,65
Х
0,7
0,45
П
(ЭИ612)
ХН35ВТЮ
0,68
ОХ
0,15
0,10
П
(ЭИ787)
ХН35ВТР
0,53
Х
0,30
0,15
П
(ЭИ725)
ХН45Ю
0,35 –
У
—
—
П
(ЭП747)
0,50
Группа
свариваемости
3
1
1
1
1
1
1
2
2
3
1
3
3
3
1
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 21
Марка стали
(сплава)
Обрабатываемость
давлением
(технологическая
пластичность)
Кд
Оценка
Обрабатываемость
резанием
Кv,
твердый
сплав
Кv,
быстрорежу- Оценка
щая
сталь
Группа
свариваемости
Сплав на никелевой основе, ГОСТ 5632–72
ХН60ВТ
(ЭИ868)
ХН70ВМТЮ
(ЭИ617)
—
Х
0,3
—
П
2
0,50
Х
0,13
0,08
П
2
П р и м е ч а н и е . Оценки технологических свойств в соответствии со шкалами см. табл. 7 – 9: П — плохая; У — удовлетворительная; Х — хорошая; ОХ —
очень хорошая.
62
15Л
20Л
30Л
40Л
45Л
50Л
40ХЛ
70ХЛ
20ГЛ
35ГЛ
45ГЛ
30ГСЛ
20ХМФЛ
40ХНЛ
Марка стали или
сплава
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2
2,2 – 2,4
2,2
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2
Линейная
усадка, %
0,9
0,9
1,0
1,0
1,0
0,9
0,6
0,9
0,8
0,9
0,8
0,9
1,0
0,9
Кжт
1,0
1,0
1,0
0,8
0,8
0,6
0,9
0,6
0,9
0,9
0,9
1,0
0,8
1,3
Кту
Литейные свойства
Кд
Оценка
Сталь, ГОСТ 977–88
У
0,5
Х
У
0,5
Х
Х
0,57
Х
У
0,60
Х
У
0,62
Х
У
0,55
Х
У
0,77
ОХ
У
—
Х
У
0,58
Х
У
0,56
Х
У
0,56
Х
У
0,59
Х
У
0,54
Х
Х
0,70
ОХ
Оценка
Технологическая пластичность
1,50
1,5
1,25
1,1
1,0
0,70
1,1
0,55
1,15
0,75
0,65
1,0
—
0,65
Кv, твердый
сплав
1,35
1,35
1,0
1,0
0,8
0,55
0,6
0,35
1,0
0,55
0,5
0,9
0,6
0,50
Кv, быстрорежущая сталь
Х
Х
Х
Х
У
У
У
П
Х
У
П
У
У
У
Оценка
Обрабатываемость резанием
Оценки технологических свойств некоторых литейных сталей и черных сплавов
1
1
2
3
3
3
2
4
1
2
3
1
2
2
63
Группа
свариваемости
Таблица 22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63
64
64
30ХГСФЛ
35ХГСЛ
30ХНМЛ
08ГДНФЛ
110Г13Х2БРЛ
20Х5МЛ
40Х9С2Л
10Х12НДЛ
20Х13Л
15Х14НЛ
10Х18Н3Г3Д2Л
10Х18Н9Л
10Х18Н9ТЛ
12Х18Н9ТЛ
35Х23Н7СЛ
15Х25ТЛ
Марка стали или
сплава
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,1 – 2,2
2,1
2,6 – 2,7
—
—
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,2 – 2,3
2,7 – 2,8
2,7 – 2,8
2,7 – 2,8
2,7 – 2,8
—
—
Линейная
усадка, %
0,9
0,9
0,9
1,8
0,8
—
—
0,9
1,0
0,9
0,9
1,0
1,0
1,0
—
—
Кж.т
0,7
0,7
1,3
0,8
0,4
—
—
0,9
0,6
0,8
1,0
1,0
1,0
1,0
—
—
Кт.у
Литейные свойства
У
У
Х
Х
У
У
У
У
У
У
У
Х
Х
Х
У
У
Оценка
0,73
0,66
0,78
0,78
—
0,67
0,8
0,69
0,75
0,60
0,7
0,4
0,45
0,45
0,45
0,62
Кд
ОХ
Х
ОХ
ОХ
У
ОХ
ОХ
ОХ
ОХ
Х
ОХ
У
У
У
У
Х
Оценка
Технологическая пластичность
0,9
0,9
0,7
1,6
0,25
1,0
1,6
0,75
1,25
1,2
0,7
0,72
0,72
0,7
1,3
1,2
Кv, твердый
сплав
0,7
0,7
0,65
1,3
—
0,6
—
—
0,55
0,5
0,5
—
—
0,35
1,0
—
Кv, быстрорежущая сталь
У
У
У
Х
П
У
Х
У
У
У
У
У
У
П
Х
Х
Оценка
Обрабатываемость резанием
2
2
2
1
4
2
3
2
2
2
2
1
2
1
2
2
Группа
свариваемости
Продолжение табл. 22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
—
—
0,8
—
—
1,9
1,5
0,9
1,8
0,8
—
Кж.т
—
2,1 – 2,2
2,1
2,27
1,9
Линейная
усадка, %
Оценка
Кд
Оценка
—
—
—
—
У
У
У
У
—
0,77
0,88
0,90
Х
ОХ
ОХ
ОХ
У
0,58
Х
У
0,65
Х
Сталь, ГОСТ 21357–87
1,3
Х
—
Х
0,8
Х
0,8
Х
Сплавы на никелевой основе
0,9
—
Кт.у
Технологическая пластичность
0,07
0,1
0,02
0,02
—
1,0
1,15
0,82
Кv, твердый
сплав
—
0,05
—
—
—
0,85
1,0
0,76
Кv, быстрорежущая сталь
П
П
П
П
У
У
Х
У
Оценка
Обрабатываемость резанием
3
3
3
3
2
1
1
3
Группа
свариваемости
65
65
П р и м е ч а н и е . Оценки технологических свойств в соответствии со шкалами см. табл.7 – 9: П — плохая; У — удовлетворительная; Х — хорошая; ОХ — очень хорошая.
ХН58ВКМТЮБЛ
(ЦНК 8МП)
ХН6ОКВМЮТЛ
(ЦНК 7П)
ХН65ВМТЮЛ
(ЭИ 893Л)
ХН65КМВЮТЛ
(ЖС 6К)
25Х2НМЛ
08Г2ДНФЛ
20ФЛ
45ФЛ
Марка стали или
сплава
Литейные свойства
Окончание табл. 22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 23
Примерное назначение некоторых сталей и черных сплавов
Наименование стали,
марка стали, сплава
Углеродистая сталь
обыкновенного
качества,
ГОСТ 380–94
Ст0
Ст3сп
Ст6сп
Углеродистая
качественная
конструкционная
сталь,
ГОСТ 1050–88
66
Назначение
Мало- и средненагруженные детали: штифты,
шайбы, шпонки, крышки, кожухи, валы, винты, зубчатые колеса, шпиндели. Металлоизделия: гвозди, сетки, канаты, болты, гайки. Прокат (до 70 % всего стального проката). Трубы,
арматура, железнодорожные цистерны, рельсы, вагонные колеса
Второстепенные нерассчитываемые элементы
сварных и несварных конструкций и неответственные детали: настилы, арматура, подкладки, шайбы, перила, кожухи, обшивки и др.
Листы по ГОСТ 14637–89 категории 2, 3
и 6 — несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при
положительных температурах. Листы категории 5 — несущие элементы сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках: толщиной до 25 мм — в интервале
температур от –40 до +425 °С; при толщине
свыше 25 мм — в интервале температур
от –20 до + 425 °С. Листы электросварных
труб, работающих при температуре до 300 °С
и давлении до 1,6 МПа. Детали котлов и трубопроводов толщиной до 12 мм и кованые
детали, эксплуатирующиеся при температуре
до 200 °С и давлении до 1,6 МПа
Шпиндели, клинья, ломы строительные, пальцы поршней, стержневая арматура периодического профиля
Средненагруженные детали: валы, шпиндели,
оси, зубчатые колеса, шпонки, муфты, фланцы, фрикционные диски, винты, гайки, упоры,
тяги, цилиндры гидроприводов, эксцентрики,
звездочки цепных передач
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
08
10
20
Назначение
Шайбы, патрубки, прокладки, облицовка
кузовов, стаканы и другие неответственные
детали, к которым предъявляются требования
высокой пластичности, эксплуатирующиеся
при температуре от –40 до +450 °С не под давлением. После химико-термической обработки
— неответственные, ненагруженные детали,
к которым предъявляются требования высокой
поверхностной твердости и износостойкости
при невысокой прочности сердцевины
Трубы и крепежные детали котлов и трубопроводов ТЭС, трубные, крепежные детали
АЭС, крепежные детали паровых и газовых
турбин. Трубы, пальцы, валики и втулки гидротурбин. После химико-термической обработки — детали, к которым предъявляются
требования высокой поверхностной твердости
и износостойкости при невысокой прочности
сердцевины
Крюки кранов, стропы, серьги, башмаки,
подмоторные рамы, муфты, цилиндры,
вкладыши подшипников и другие неответственные, ненагруженные детали. Детали сварных конструкций с большим объемом сварки.
Трубопроводы, кованые детали ТЭС и АЭС,
пароперегреватели, трубные пучки теплообменных аппаратов, коллекторы, корпусы и
другие детали, работающие при температуре
от –40 до +450 °С под давлением. Фрикционные диски, поршневые пальцы, шестерни,
толкатели при высокой поверхностной
твердости и износостойкости и невысокой
прочности сердцевины
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
30
40
45
50
55
68
Назначение
Тяги, серьги, траверсы, рычаги, валы, звездочки, шпиндели, цилиндры прессов, соединительные муфты паровых турбин и другие
детали невысокой прочности, крепежные
изделия трубопроводов ТЭС и АЭС, паровых
и газовых турбин
Оси, коленчатые валы, валы-шестерни, штоки,
шестерни, бандажи, детали турбин, детали
арматуры, шатуны, шпиндели, звездочки,
распределительные валики, болты, головки
цилиндров, шпонки, фрикционные диски,
плунжеры и др. Крепежные детали котлов
и трубопроводов ТЭС, АЭС, паровых и газовых турбин. Корпусные детали газовых турбин, цельнокованые валы гидравлических
турбин
Валы-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи,
плунжеры, стойки, колонны, оправки, рычаги,
траверсы, хвостовики, цилиндры, кулачки,
штуцеры, шайбы, вилки, кронштейны, установочные винты, пальцы, втулки, арматура,
детали насосов, тяги, штыри, шпонки, храповики, стропы и другие детали, крепеж трубопроводов ТЭС, АЭС, паровых турбин
Штоки, плунжеры, шестерни, венцы, бандажи,
шпиндели, молотки и др. Рабочие валки
прокатных станов
Штоки, венцы, цапфы, эксцентрики и другие
детали, к которым предъявляются требования
повышенной прочности и износостойкости.
Рабочие валки прокатных станов. Цельнокованые колеса для вагонов и бандажи подвижного состава и железных дорог широкой колеи
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
60
Конструкционная
сталь повышенной
и высокой
обрабатываемости
резанием,
ГОСТ 1414–75
А12
А20
А30
Назначение
Эксцентрики, шпиндели, бандажи, диски
сцепления, пружинные кольца амортизаторов,
замковые шайбы, регулировочные шайбы,
регулировочные прокладки и другие детали,
к которым предъявляются требования высокой
прочности и износостойкости. Рабочие валки
прокатных станов. Цельнокованые колеса
для вагонов и бандажи подвижного состава
железных дорог широкой колеи
Средненагруженные детали указанной выше
номенклатуры при значительных объемах
выпуска (серийное и массовое производство)
Оси, валики, втулки, кольца, зубчатые колеса,
шестерни, пальцы, винты, болты и другие
малонагруженные мелкие детали сложной
формы, выпускаемые в больших объемах,
к которым предъявляются требования малой
шероховатости поверхностей и высокой
точности размеров. Прокат из стали А12
не допускается к применению во вновь
создаваемой и модернизируемой технике
Мелкие детали машин и приборов, малонагруженные детали сложной формы, к которым
предъявляются требования по точности размеров и качеству поверхности
Детали сложной формы, к которым предъявляют повышенные требования по точности
размеров и качеству поверхности, изготовляемые в больших объемах (крупносерийное
и массовое производство), эксплуатирующиеся при повышенном напряжении и давлении
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
А40Г
Углеродистая
низколегированная
сталь,
ГОСТ 19281–89
09Г2
14Г2
09Г2С
10ХСНД
15ХСНД
70
Назначение
Детали сложной формы, к которым предъявляются повышенные требования к точности
размеров и качеству поверхности, изготовляемые в больших объемах и эксплуатирующиеся
при повышенных нагрузках. Ходовые винты
металлорежущих станков
—
Стойки ферм, детали рам вагонов, рамы
кранов, детали экскаваторов, элементы сварных конструкций и другие детали, эксплуатирующиеся при температуре от –40 до +450 °С
не под давлением
Элементы крупных листовых конструкций,
эксплуатирующихся до температуры –70 °С
Детали аппаратов и сосудов, эксплуатирующихся при температуре от –70 до +475 °С
под давлением. Крепежные детали в котлах
и трубопроводах при температуре до +425 °С
и давлении до 10 МПа
Элементы сварных конструкций повышенной
прочности и коррозионной стойкости с ограничением массы, эксплуатирующиеся при температуре от –70 до +450 °С. Детали, работающие под давлением в сосудах при температуре
от –40 до +400 °С
Элементы сварных конструкций повышенной
прочности и коррозионной стойкости
с ограничением массы, эксплуатирующиеся
при температуре от –70 до +450 °С. Штампованные детали сосудов, эксплуатирующиеся
при температуре от –40 до +400 °С
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
Легированная
конструкционная
сталь,
ГОСТ 4543–71
15Х
20Х
30Х
40Х
45Х
50Х
Назначение
—
Втулки, пальцы, шестерни, валики, толкатели
и другие детали с высокой поверхностной
твердостью и невысокой прочностью сердцевины
Втулки, шестерни, обоймы, поршневые
пальцы, толкатели оси, направляющие планки,
шпиндели, червяки, оправки, копиры, гильзы,
диски, плунжеры, кулачковые муфты, рычаги,
стяжные кольца, штоки выпускных клапанов
и другие детали с высокой твердостью рабочих поверхностей и невысокой прочностью
сердцевины
Оси, валы, шестерни, кольцевые рельсы,
крепеж и др.
Оси, валы-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, кулачки, зубчатые венцы,
болты, полуоси, пиноли, втулки и другие
детали повышенной прочности. Валы, диски,
роторы паровых турбин, трубы
Валы, шестерни, оси, болты, шатуны и другие
детали, к которым предъявляются требования
повышенной твердости, износостойкости,
прочности, работающие при незначительных
ударных нагрузках
Валы, шпиндели, пиноли, рейки, оправки,
установочные винты, крупные зубчатые
колеса, редукторные валы, валки горячей
прокатки и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной твердости,
износостойкости, прочности, работающие
при незначительных ударных нагрузках
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
10Г2
15Г
20Г
30Г
40Г
72
Назначение
Патрубки, штуцера, змеевики, трубные пучки,
крепежные и другие детали, эксплуатирующиеся при температуре до –70 °С под давлением
После термической обработки — заклепки
ответственного назначения, поршневые пальцы, фрикционные диски, пальцы рессор, кулачковые валики, крепеж и другие детали с
высокой твердостью и износостойкостью; без
термообработки — сварные подмоторные рамы, башмаки, косынки
Без термической обработки — втулки, трубки,
штуцера, оси, вкладыши, детали сварных
конструкций, подмоторные рамы, косынки,
башмаки, кулачковые валики и другие детали
невысокой прочности. После химико-термической обработки — фрикционные диски,
поршневые пальцы, пальцы рессор, кулачковые валики, болты, гайки, винты, ключи, шайбы, неответственные шестерни, червяки
и другие детали, к которым предъявляются
требования высокой поверхностной твердости
и износостойкости при невысокой прочности
сердцевины
Тяги, оси, серьги, рычаги, муфты, валы, звездочки, цилиндры, диски, шпиндели, соединительные муфты паровых турбин, цилиндры
прессов, болты, гайки, винты и другие детали,
к которым предъявляются требования невысокой прочности
Оси, коленчатые валы, шестерни, штоки, бандажи, детали арматуры, шатуны, звездочки,
распределительные валики, головки плунжеров, карданные валы и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной
прочности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
45Г
50Г
18ХГТ
33ХС
30ХМ
30ХМА
40ХФА
Назначение
Оси, коленчатые валы, шестерни, штоки, бандажи, детали арматуры, шатуны, карданные
валы, тормозные рычаги, зубчатые колеса,
анкерные болты
Оси, коленчатые валы, шестерни, штоки, бандажи, детали арматуры, шатуны, звездочки,
распределительные валики, головки плунжеров, карданные валы и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной
прочности
Шестерни, червяки, шлицевые валы, втулки,
кулачковые муфты, направляющие, шкворни,
пальцы, валики и другие ответственные,
нагруженные детали, от которых требуется
повышенная прочность и вязкость сердцевины
и высокая поверхностная твердость, работающие при ударных нагрузках. После азотирования — ходовые винты, гильзы и другие детали, к которым предъявляются требования
высокой износостойкости и минимальная
деформация при термообработке
Улучшаемые детали пружинного типа сравнительно небольших сечений высокой прочности, износостойкости и упругости: диски трения, муфты сцепления, балансиры, валы коробок скоростей и т. п.
Шпильки, гайки, трубы и другие детали паропроводов, эксплуатирующиеся при температуре до 450…500 °С. Шестерни, валы, цапфы
и другие детали. Стали обладают повышенной
прокаливаемостью
В улучшенном состоянии — шлицевые валы,
штоки, установочные винты, траверсы, шатуны, валы экскаваторов, крепежные детали
трубопроводов высокого давления при температуре до 400 °С и др.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
40ХФА
20ХН
40ХН
20ХНЗА
74
Назначение
После закалки и низкого отпуска — рейки,
червячные валы и другие детали средних
размеров, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости в сочетании
с повышенной прочностью и вязкостью
сердцевины. После азотирования — зубчатые
колеса, силовые шпильки, пальцы, ходовые
винты, шпиндели, гильзы, втулки и другие
детали сложной конфигурации высокой износостойкости, усталостной прочности и минимальной деформации. После азотирования —
сталь коррозионно-стойкая в атмосферных
условиях, воде, водяных парах. Для уменьшения деформации при азотировании детали
перед окончательным шлифованием (до азотирования) подвергают стабилизирующему
отпуску при температуре 620…650 °С
Шестерни, втулки, пальцы и другие детали,
от которых требуется повышенная вязкость
материала
Оси, валы, шатуны, зубчатые колеса, валыэкскаваторы, муфты, валы-шестерни, шпиндели, болты, нажимные винты, рычаги, штоки,
борштанги, цилиндры, полукольца и другие
ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим
нагрузкам, при высокой прочности и вязкости
материала. Валки прокатных станов
Шестерни, валы, втулки, силовые шпильки,
болты, муфты, червяки и другие детали при
высокой прочности, пластичности, вязкости
сердцевины и высокой поверхностной твердости, эксплуатирующиеся под действием
ударных нагрузок или при отрицательной
температуре
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
20ХГСА
25ХГСА
30ХГС
30ХГСА
35ХГСА
20ХГНР
30ХН2МА
38ХН3МА
Назначение
Ходовые винты, оси, валы, червяки и другие
детали, работающие в условиях износа, при
знакопеременных нагрузках и при температуре до 200 °С
Оси, валы, шестерни, червяки, ходовые винты,
шатуны, коленвалы, штоки и другие ответственные элементы машин, заготовки которых
получают сваркой или обработкой давлением
Валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпусы
обшивки, лопатки компрессоров, работающие
при температуре до 200 °С при значительных
нагрузках. Рычаги, толкатели, ответственные
сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках; крепежные детали,
работающие в условиях низкой температуры
Фланцы, кулачки, пальцы, корпусы, лопатки
компрессоров, работающие при температуре
до 200 °С, валики, рычаги, оси, валы, скобы,
толкатели, вилки, детали сварных конструкций и другие детали сложной конфигурации,
работающие при знакопеременных нагрузках,
при высокой или повышенной прочности и
износостойкости
Шестерни, червяки, кулачковые муфты, валики, пальцы, втулки и другие нагруженные детали, эксплуатирующиеся в условиях ударных
нагрузок
Оси, валы, шестерни, звездочки, коленвалы,
шатуны, ответственные болты, шпильки,
диски и другие ответственные детали,
эксплуатирующиеся в сложных условиях
нагружения
Валы, оси, шестерни, муфты и другие крупные
особо ответственные детали
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
40ХН2МА
20ХН4ФА
20ХМ
Теплоустойчивая
сталь, ГОСТ 20072–74
12МХ
12Х1МФ
(ЭИ575)
20Х3МВФ
(ЭИ415, ЭИ579)
15Х5М
76
Назначение
Коленчатые валы, клапаны, шатуны, ответственные болты и силовые шпильки, шестерни,
кулачковые муфты, диски турбокомпрессоров
и другие тяжело нагруженные детали сложной
конфигурации, работающие при динамических
нагрузках, при требованиях высокой прочности, достаточной пластичности и вязкости.
Сталь теплоустойчива до температуры 450 °С
Клапаны впуска, болты, шпильки и другие
ответственные детали, работающие в коррозионной среде при температуре до 300…400 °С.
Детали большой вязкости и прокаливаемости
(для дизелестроения)
Диафрагмы паровых турбин и другие детали
для работы при температуре до 500 °С
—
Трубы пароперегревателей, трубопроводов
и коллекторных установок высокого давления,
детали цилиндров газовых турбин, детали
котлов
Трубопроводы, трубы пароперегревателей
и коллекторов высокого и сверхвысокого давления для эксплуатации при температуре
до 570…585 °С
Валы, диски, роторы стационарных и транспортных турбин массой до 65 т, крепеж
и другие детали, эксплуатирующиеся при температуре 500…560 °С. Трубы и детали трубопроводов высокого давления для химической
промышленности
Трубы, детали насосов, лопатки, крепеж,
подвески котлов и другие детали, для которых
требуется сопротивляемость окислению
при температуре 600…650 °С
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
15Х5ВФ
Подшипниковая
сталь,
ГОСТ801–78
ШХ15
ШХ15СГ
Рессорно-пружинная
углеродистая
и легированная
сталь,
ГОСТ 14959–79
75
85
Назначение
Детали корпусов нефтеперерабатывающего
оборудования, детали насосов, работающие
при температуре до 600 °С
—
Втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные
клапаны, седла клапанов, корпусы распылителей, ролики толкателей, кулачки, копиры,
направляющие и другие детали высокой твердости, износостойкости, контактной прочности. Кольца подшипников с толщиной стенки
до 14 мм, шарики диаметром 150 мм, ролики
диаметром до 23 мм
Кольца роторов буровых машин, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны,
седла клапанов, корпусы распылителей,
ролики толкателей, кулачки, копиры, направляющие и другие детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, износостойкости, контактной прочности. Кольца
и ролики крупногабаритных подшипников
—
Крановые колеса, рессоры и пружины, пружины амортизаторов, замки сцепления, круглые
и плоские пружины, пружины клапанов двигателей автомобилей и т. п.
Пружины, фрикционные диски и другие детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, упругости, износостойкости
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
65Г
50ХФА
55С2
60С2
60С2А
65С2ВА
70С2ХА
Низколегированная
инструментальная
сталь,
ГОСТ 1435–90
У7
У7А
У8
У8А
У10
У10А
78
Назначение
Пружины, рессоры, упорные шайбы, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы
подшипников, цанги, другие детали, к которым предъявляются требования повышенной
износостойкости. Детали, работающие
без ударных нагрузок
Тяжело нагруженные ответственные пружины
при высокой усталостной прочности. Пружины, эксплуатирующиеся при температуре
до 300 °С, и другие детали
Пружины и рессоры транспортных машин
Тяжело нагруженные пружины, торсионные
валы, пружинные кольца, цанги, фрикционные
диски, шайбы при максимально допустимой
температуре эксплуатации 250 °С
Высоконагруженные пружины
Тяжело нагруженные плоские пружины ответственного назначения. Пружины приборов
—
Инструмент для обработки дерева, пневматический инструмент небольших размеров, слесарно-монтажный инструмент
Инструмент, работающий в условиях,
не вызывающих разогрева режущей кромки.
Инструмент для обработки дерева. Слесарномонтажный инструмент
Инструменты, работающие в условиях,
не вызывающих разогрева режущей кромки.
Инструмент для обработки дерева. Штампы
холодной штамповки. Калибры. Слесарный
инструмент
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
У12
У12А
Инструментальная
легированная сталь,
ГОСТ 5950–2000
9ХС
ХВГ
Х6ВФ
Х12
5ХГМ
Высоколегированная
сталь и сплавы
коррозионностойкие,
жаростойкие
и жаропрочные,
ГОСТ 5632–72
95Х18
(9Х18, ЭИ229)
Назначение
Слесарный инструмент, штампы холодной
штамповки, пуансоны, калибры, пресс-формы
для пластмасс
—
Ручной слесарный инструмент. Ответственные
детали с высокой износостойкостью материала, высокой усталостной прочностью, упругими свойствами
Измерительный и режущий инструмент, резьбовые калибры, протяжки, холодновысадочные матрицы и пуансоны, технологическая
оснастка
Резьбонакатный инструмент, ножовочные полотна, бритвы, матрицы, пуансоны, трубонакатники и другие инструменты для холодной
деформации
Штампы, волочильные доски и волоки, матрицы и пуансоны, детали электрических машин
Штампы горячей штамповки. Валки прокатных станов
—
Втулки, оси, стержни, детали подшипников
и другие детали, к которым предъявляются
требования высокой твердости и износостойкости при температуре до 500 °С и воздействии умеренно агрессивных сред
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
10Х11Н20ТЗР
(ЭИ 696)
08Х13
(ЭИ 496)
12Х13
20Х13
30Х13
40Х13
80
Назначение
Детали турбин, пружины, крепеж, работающие ограниченное время при температуре
до 700 °С. Криогенная арматура, работающая
при температуре до –253 °С
Лопатки, бандажи, трубы и другие изделия,
для которых требуется сопротивление окислению при температуре до 800 °С
Турбинные лопатки, бандажи, детали, работающие в условиях коррозии, трубы и другие
детали, работающие при температуре
450…500 °С; детали, эксплуатирующиеся
в атмосферных условиях, речной и водопроводной воде, влажном паре, водных растворах
солей и других слабоагрессивных средах
Клапаны гидравлических прессов, детали клапанов, лопатки паровых турбин, поршневые
кольца и другие детали, подвергающиеся
ударным нагрузкам при температуре
до 450…500 °С и действии слабоагрессивных
сред
Детали с поверхностями повышенной твердости: режущий, мерительный и хирургический
инструмент, пружины, карбюраторные иглы,
клапанные пластины компрессоров, предметы
домашнего обихода. Детали, эксплуатирующиеся при температуре не более 450 °С
в слабоагрессивных средах
Втулки, оси, валы, пружины, рессоры, корпусы, цапфы, лопасти, диски турбин, эксплуатирующиеся при температуре 400…450 °С,
карбюраторные иглы, болты, гайки и другие
детали, работающие в коррозионных средах
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
08Х17Т
(ЭИ 645)
12Х17
10Х17Н13М2Т
(ЭИ 448)
12Х18Н9
12Х18Н9Т
15Х25Т
(ЭИ439)
Назначение
Теплообменники для горячих нитридных газов
и горячей азотной кислоты, трубопроводы,
аппараты и сосуды, эксплуатирующиеся
в разбавленных растворах кислот, а также другие детали, работающие в средах средней
агрессивности. Сварные конструкции, работающие при температуре не ниже –20 °С
Теплообменники для горячих нитридных газов
и горячей азотной кислоты, крепежные детали,
валики, втулки и другие детали аппаратов,
работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной и лимонной кислот, в растворах
солей, обладающих окислительными свойствами. Предметы домашнего обихода, оборудование пищевой и легкой промышленности
Аппараты и сосуды, работающие в средах
повышенной агрессивности (растворах
фосфорной, уксусной, серной, лимонной
и других кислот), лопатки газодувок, заклепки, диски, валы и другие детали компрессорных машин, детали турбин
Сварные конструкции различного назначения,
муфели термических печей, детали крепежа
теплообменников, опорные элементы кладки
печей
Лопатки, трубопроводы, уплотнения и другие
детали энергетического машиностроения, работающие при температуре до 600 °С. Аппараты и сосуды, работающие при температуре
от –196 до +600 °С под давлением, а в агрессивных средах — до + 350 °С
Сварные конструкции, работающие при температуре выше –20 °С, не подвергающиеся действию ударных нагрузок, трубы теплообменной
аппаратуры, работающие в азотной кислоте и
щелочи, арматура печей, чехлы термопар
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 23
Наименование стали,
марка стали, сплава
Сплав на железоникелевой основе,
ГОСТ 5632–72
ХН32Т
(ЭП670)
ХН35ВТ
(ЭИ612)
ХН35ВТЮ
(ЭИ787)
ХН35ВТР
(ЭИ725)
ХН45Ю
(ЭП747)
Сплав
на никелевой основе,
ГОСТ 5632–72
ХН70ВМТЮ
(ЭИ617)
ХН60ВТ
(ЭИ868)
82
Назначение
—
Газоотводящие трубы, листовые детали высокотемпературных установок с длительным
сроком службы при температуре 700…850 °С
Лопатки, диски, роторы газовых турбин, крепежные детали, плоские пружины и другие
детали, эксплуатирующиеся при температуре
до 650 °С
Рабочие лопатки газотурбинных двигателей
при температуре до 750 °С, лопатки компрессоров, диски, дефлекторы, кольца, эксплуатирующиеся при температуре до 750 °С
Корпусы турбин с рабочей температурой
до 750 °С, направляющие лопатки турбин,
эксплуатирующиеся при температуре
750…780 °С
Детали печей, печные конвейерные сетки,
детали горелочных устройств, эксплуатирующихся при температуре 1250…1300 °С
и незначительных механических нагрузках
—
Лопатки, диски, роторы газовых турбин
с рабочей температурой 800…850 °С
Детали газопроводных систем, жаровые
трубы, детали камер сгорания, уплотнения
и другие детали высокотемпературных
газовых турбин
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 24
Примерное назначение некоторых литейных сталей и черных сплавов
Наименование стали,
марка стали, сплава
Сталь, ГОСТ 977–88
15Л
20Л
30Л
40Л
08Х18Н10
Назначение
—
Блоки, ролики, корпусы, поводки, захваты,
детали сварно-литых конструкций с большим
объемом сварки, плиты, подушки и другие
неответственные детали, работающие под
действием средних статических и динамических нагрузок
Арматура, детали трубопроводов, фасонные
отливки деталей общего машиностроения,
элементы сварно-литых конструкций с большим объемом сварки и другие неответственные детали, работающие под действием средних статических и динамических нагрузок.
Крышки, патрубки, фланцы, арматура и другие детали, работающие при температуре
от –40 до +450 °С под давлением
Корпусы турбомашин, детали гидротурбин,
рычаги, балансиры, корпусы редукторов, муфты, шкивы, кронштейны, элементы сварнолитых конструкций, станины, балки, опорные
кольца, бандажи, маховики и другие детали,
работающие под действием средних статистических и динамических нагрузок
Станины, корпусы, муфты, тормозные диски,
шестерни, кожухи, вилки, звездочки и другие
ответственные детали, к которым предъявляются повышенные требования по прочности
и износостойкости
Трубы и детали печной арматуры теплообменных аппаратов, муфелей, реторт, патрубков, коллекторов, выхлопных систем, конструкции повышенной прочности. Листовые
детали в автомобилестроении, торговом машиностроении, предметы домашнего обихода
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 24
Наименование стали,
марка стали, сплава
08Х18Н10Т
12Х18Н10Т
08Х22Н6Т
20Х23Н13
(ЭИ319)
45Л
84
Назначение
Детали и узлы основного оборудования и трубопроводов АЭУ с водяным теплоносителем.
Сварная аппаратура, работающая в растворах
кислот, щелочей и солей. Теплообменники,
муфели, трубы, детали печной арматуры,
изделия автомобилестроения, торгового машиностроения, предметы домашнего обихода
Детали и узлы основного оборудования и трубопроводов АЭУ с водяным теплоносителем.
Лопатки, трубы и другие детали энергетического машиностроения, работающие при температуре до 600 °С. Сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах
кислот, щелочей, солей. Корпусы и другие
детали, работающие под давлением при температуре от –196 до +600 °С, в агрессивных
средах — до +350 °С
Сварные аппараты и сосуды химического машиностроения, камеры сгорания и детали газовых турбин, трубные доски и пучки, работающие при температуре от –70 до +300 °С,
соприкасающиеся с коррозионными средами
Детали, работающие при высокой температуре
в слабонагруженном состоянии
Станины, зубчатые колеса и венцы, тормозные
диски, муфты, кожухи, опорные катки, рычаги, звездочки, храповики, клинья, кулачки
и другие ответственные детали высокой прочности и износостойкости, работающие под
действием статических и динамических нагрузок. Детали теплообменников, эксплуатирующиеся при температуре от –30 до +450 °С
под давлением
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 24
Наименование стали,
марка стали, сплава
50Л
40ХЛ
70ХЛ
20ГЛ
35ГЛ
45ГЛ
30ГСЛ
20ХМФЛ
Назначение
Зубчатые колеса и муфты подъемнотранспортных машин, ходовые колеса, зубчатые сектора и венцы, полумуфты, тормозные
диски и другие детали, к поверхностям которых предъявляются требования повышенной
твердости
Фасонные отливки небольших размеров сложной конфигурации. Зубчатые колеса, бандажи
и другие детали, к которым предъявляются
требования повышенной твердости поверхностей
Детали простой формы, к которым предъявляются требования высокой износостойкости
Диски, звездочки, зубчатые венцы, барабаны
и другие детали, к которым предъявляются
требования по прочности и вязкости, работающие под действием статических и динамических нагрузок. Тележки грузовых вагонов, эксплуатирующиеся при температуре до –60 °С
Диски, звездочки, зубчатые венцы, барабаны,
шкивы, крестовины, траверсы, ступицы, вилки. Тяжело нагруженные детали экскаваторов,
крышки подшипников, цапфы. Детали
дробильно-размольного оборудования
Блоки, колеса, звездочки, кулачковые муфты,
крупные зубчатые венцы и др.
Лопасти гидротурбин, зубчатые венцы и колеса, втулки, ролики, обоймы, рычаги, фланцы,
шкивы, сектора, колонны, элементы сварнолитых конструкций с большим объемом
сварки
Детали паровых турбин, цилиндры, корпусы
и крышки клапанов. Фасонные детали арматуры и трубопроводов, работающие при температуре до 540 °С
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 24
Наименование стали,
марка стали, сплава
40ХНЛ
30ХГСФЛ
35ХГСЛ
30ХНМЛ
08ГДНФЛ
110Г13Х2БРЛ
20Х5МЛ
40Х9С2Л
10Х12НДЛ
86
Назначение
Шестерни, крестовины, втулки, зубчатые
колеса и другие детали
Шестерни и другие детали
Зубчатые колеса, звездочки, оси, валы, муфты
и другие ответственные детали, к которым
предъявляются требования повышенной
износостойкости
Сильно нагруженные зубчатые колеса
и другие детали, к которым предъявляются
требования высокой прочности и достаточной
вязкости, работающие под действием статических и динамических нагрузок при температуре до 400 °С
Детали сварных конструкций с толщиной стенок до 700 мм, к которым предъявляются требования высокой вязкости и достаточной
прочности. Детали, эксплуатирующиеся при
температуре до –60 °С
Детали, к которым предъявляются требования
высокого сопротивления износу при одновременном действии высоких давлений или ударных нагрузок. Трамвайные и железнодорожные стрелки и крестовины, гусеничные траки,
звездочки, зубья ковшей экскаваторов
Фланцы, патрубки, детали трубопроводов,
арматура и другие детали, работающие
при температуре от –40 до +550 °С под давлением в серосодержащих средах
Клапаны дизелей, трубки рекуператоров,
теплообменники, колосники, детали печей
при температуре до 700 °С, крепежные детали
и др.
Элементы сварно-литых колес, лопаток
и других деталей гидротурбин
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 24
Наименование стали,
марка стали, сплава
20Х13Л
15Х14НЛ
10Х18Н3Г3Д2Л
10Х18Н9Л
10Х18Н9ТЛ
12Х18Н9ТЛ
35Х23Н7СЛ
15Х25ТЛ
20ФЛ
45ФЛ
Назначение
Детали турбин, работающие при температуре
до 500 °С, рабочие и направляющие лопатки
компрессоров, рабочие колеса, сегменты
сопел, корпусы насосов. Детали изделий, эксплуатирующихся в слабоагрессивных средах
Лопасти гидротурбин сечением до 150 мм.
Детали, эксплуатирующиеся во влажном паре,
разбавленной азотной кислоте, слабых органических кислотах
Детали сварно-литых конструкций гидротурбин при напорах не более 80 л/с, в сечениях
до 300 мм, детали насосов
Арматура химических установок, коллекторы
выхлопных систем, детали печей и другие
детали, эксплуатирующиеся при температуре
до 400 °С
Детали энергомашиностроения различного
назначения
Детали разного назначения для энергомашиностроения. Арматура химических установок,
коллекторы выхлопных систем, детали печей,
детали стационарных газовых турбин и компрессоров, оборудования и трубопроводы
АЭУ с водяным теплоносителем
Детали печей, эксплуатирующиеся при температуре до 1000 °С
Детали химических аппаратов, не подвергающиеся нагрузкам (аппаратура для дымящейся
азотной и фосфорной кислот), печная арматура
Детали вагонов, металлургического и горнодобывающего оборудования
Корпусы редукторов угольных комбайнов,
износостойкие детали тракторов и металлургического оборудования, другие детали машиностроения
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 24
Наименование стали,
марка стали, сплава
Сталь,
ГОСТ21357–87
25Х2НМЛ
08Г2ДНФЛ
Сплавы
на никелевой основе
ХН5ВКМТЮБЛ
(ЦНК 8МП)
ХН60КВМЮТЛ
(ЦНК 7П)
ХН65ВМТЮЛ
(ЭИ89Л)
ХН65КМВЮТЛ
(ЖС 6К)
Назначение
—
Ответственные детали сварно-литых конструкций больших сечений экскаваторов. Детали, эксплуатирующиеся при температуре
не ниже –70 °С
Крупногабаритные корпусные детали, литые
детали крупных экскаваторов, свариваемые
детали большой прочности. Детали, работающие при температуре до –60 °С
—
Лопатки ГТУ с монокристаллической структурой, колеса турбонаддува дизелей
Лопатки ГТУ с равноосной и направленной
структурами и другие детали горячего тракта
ГТУ и дизелей
Лопатки, сегменты и другие детали газовых
турбин, работающие при температуре до 750 °С
Лопатки с равноосной и направленной
структурой для высокотемпературных газовых
турбин
В последние десятилетия значительные усилия направлены на
поиск новых материалов, пригодных для замены ныне существующих сплавов. Основные требования к новым материалам сводятся к более низкой плотности, повышенных жаростойкости, жаропрочности и к более высокой температуре применения по
сравнению с промышленными сплавами [4].
Из известных металлических материалов в наиболее полной мере этим требованиям отвечают интерметаллиды, в частности алюминиды никеля, железа, титана, рутения, циркония и др. Алюминий
в интерметаллидах систем «металл — алюминий» в большинстве
случаев на начальной стадии окисляется и образует пленку оксида
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
алюминия, служащую защитным естественным покрытием, предохраняющим алюминиды от интенсивной газовой коррозии. Ожидается, что рабочие температуры Тр новых материалов на 200…400 °С
превысят рабочие температуры промышленных сплавов:
Материалы
Сплавы на основе Тi ………………………………………….
Сплавы на основе Fe – Ni– Cr
Интерметаллиды FeАl, Fe3Al, Ti3Al, TiAl, TiAl3 ……………
Сплавы на основе Ni, композиционные материалы
с металлической матрицей …………………………………
Сплавы и композиционные материалы на основе
интерметаллидов Ni3Al, NiAl ………………………………
Тр, °С (maх)
400…600
800…1000
600…1100
700…1200
1000…1600
Применение промышленных сплавов на основе никеля ограничено их физико-химическими свойствами, нестабильностью
структуры и фазового состава, катастрофическим падением сопротивления газовой коррозии и разупрочнением при температуре
выше 1100 °С, низкой температурой солидус (1230…1380 °С) и
относительно высокой плотностью (8,3…8,9 г/см3).
Среди металлических материалов, альтернативных никелевым
сплавам, получают развитие сплавы на основе интерметаллида
Ni3Al, которые в отдельных случаях доведены до промышленного
применения. Продолжаются интенсивные исследования в направлении разработки сплавов на основе NiАl. Для сплавов на основе
интерметаллидов характерны исключительно высокая жаростойкость и температура плавления Тпл и относительно низкая плотность γ (табл. 25).
Таблица 25
Свойства сплавов интерметаллидов и жаропрочного сплава
на основе никеля
Сплавы
Ni3Al
NiAl
Ni
(ЖС6ВНК)
Жаростойкость, г/м2, за 100 ч
при температуре, °С
1000
1100
1150
1200
7–8
4
8–9
5
9
—
37
400
—
15 – 26
6–7
60 –
120*
Тпл, °С
γ, г/см3
1390
1635
1230 –
1380**
7,3 – 7,9
5,9 – 6,2
8,2 – 8,9
*
Сплавы деформируемые жаростойкие.
Температура солидус.
**
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отечественные жаропрочные литейные сплавы на основе Ni3Al
предназначены для длительной эксплуатации при 1150 и 1200 °С и
для кратковременной — при 1250…1300 °С. Прочность сплавов в
течение 100 ч при 1100…1150 °С составляет соответственно
110…55 и 75…40 МПа. Сплавы применяются в авиационных двигателях и энергетических установках.
Проводятся исследования по созданию композиционных материалов на основе сплавов Ni3Al.
2.3. Цветные металлы и сплавы, тугоплавкие сплавы
Цветными называют металлы алюминий, магний, цинк, медь и
сплавы на их основе (деформируемые и литейные). Марки, сортамент, технические требования на некоторые цветные металлы и
сплавы представлены в табл. 26.
К тугоплавким относят сплавы на основе титана, вольфрама,
молибдена, ниобия, ванадия. Как конструкционный материал все
чаще используют титановые сплавы.
Алюминий и алюминиевые сплавы в целом обладают высокой
прочностью, малой плотностью и, как следствие, высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, высокими тепло- и
электропроводностью (табл. 27). Механические свойства алюминия и его сплавов существенно зависят от состояния материала
(отожженный или нагартованный) и могут быть повышены введением в состав сплава легирующих элементов: меди, магния, цинка,
марганца и др. Медь способствует увеличению твердости, хрупкости алюминиевых сплавов, ухудшению их коррозионной стойкости. Кремний способствует повышению твердости сплава. Марганец вводят преимущественно для повышения коррозионной
стойкости алюминиевых сплавов. Цинк способствует упрочнению
алюминиевых сплавов, но уменьшает их коррозионную стойкость.
Добавление никеля обеспечивает большую стабильность и повышение теплопроводности сплавов. Железо для большинства алюминиевых сплавов является вредной примесью, ухудшает их коррозионную стойкость, но в некоторые алюминиевые сплавы
вводят до 1,5 % железа для повышения жаропрочности. Эксплуатационные свойства алюминиевых сплавов делают их незаменимым материалом для авиационной промышленности.
90
Сплавы алюминиевые
литейные; ГОСТ 1583–93;
АК9ч, АК12, АК7ч, АК5М,
АМ5, АМг5К, АМг10 и др.
Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением;
ГОСТ 5017–74;
БрОФ7-0,2, БрОФ6,5-0,15,
БрОЦ4-3, БрОФ7-0,2 и др.
Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые;
ГОСТ 4748–92;
АД0, АД1, АМц, АМг3,
АМг6 и др.
Наименование цветных металлов (сплавов);
ГОСТ на марку;
марки металлов (сплавов)
Полосы и ленты холоднокатаные
из бронзы марок
БрОФ6,5-0,15; БрОЦ4-3
БрОЦС4-4-2,5
Прутки тянутые (круглые, квадратные, шестигранные) и прессованные
(круглые) из бронзы марок
БрОФ6,5-0,15; БрОФ7-0,2
БрОЦ4-3
Для отливок
Листы
Ленты
Прутки прессованные круглые,
квадратные, шестигранные
Фольга из алюминия марок
АД1 и АД0
Трубы
Сортамент
618–73
18472–82
618–73
18475–82
1761–92
15885–77
10025–78
6511–60
1761–92
15885–77
10025–78
6511–60
1583–93
21488–97
21488–97
—
21631–76
13726–97
на технические
условия
91
Таблица 26
21631–76
13726–97
на сортамент
ГОСТ
Цветные металлы и сплавы. Марки, сортамент и технические требования
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
91
92
92
Бронзы оловянные
литейные; ГОСТ 613–79;
БрО3Ц12С5, БрО8Ц4 и др.
Бронзы безоловянные
литейные; ГОСТ 493–79;
БрА10Ж3Мц2Л,
БрА9Мц2Л и др.
Бронзы безоловянные,
обрабатываемые давлением; ГОСТ 18175–78;
БрАМц9-2, БрАЖ9-4,
БрБ2, БрАЖН10-4-4 и др.
Наименование цветных металлов (сплавов);
ГОСТ на марку;
марки металлов (сплавов)
—
1208–90
1208–90
Для отливок
5222–72
5222–72
493–79
613–79
1628–78
1628–78
—
1595–90
4748–92
на технические
условия
1595–90
4748–92
на сортамент
Для отливок
Полосы и ленты холоднокатаные
и горячекатаные из бронзы марок
БрАМц9-2
БрКМц3-1
Прутки тянутые (круглые, квадратные
шестигранные), прессованные
и горячекатаные (круглые)
Проволока круглого и квадратного
сечений из бронзы марки БрКМц3-1
Трубы прессованные из бронзы марок
БрАЖН10-4-4 и БрАМЖМц10-3-1,5
Сортамент
ГОСТ
Продолжение табл. 26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплавы медно-цинковые
(латуни) литейные;
ГОСТ 17711–93;
ЛЦ40С, ЛЦ40МцЗЖ и др.
Сплавы медно-цинковые
(латуни), обрабатываемые
давлением;
ГОСТ 15527–2004;
Л68, Л63, ЛС59-1 и др.
Медь; ГОСТ 859–2001;
М0, М1, М2, М3, М1р,
М2р, М3р и др.
Наименование цветных металлов (сплавов);
ГОСТ на марку;
марки металлов (сплавов)
Для отливок
Листы и полосы горячекатаные
и холоднокатаные
Лента холоднокатаная
Прутки тянутые (круглые, квадратные, шестигранные) и горячекатаные (круглые)
Фольга из меди марок М0, М1, М2
Трубы
Листы из полосы горячекатаные
и холоднокатаные
Прутки тянутые и прессованные
сечений:
круглого, квадратного
и шестигранного
прямоугольного
Проволока
Трубы
Сортамент
931–90
2060–90
6688–91
1066–90
494–90
931–90
2060–90
6688–91
1066–90
494–90
17711–93
1535–91
5638–75
617–90
1535–91
5638–75
617–90
—
495–92
1173–93
на технические
условия
495–92
1173–93
на сортамент
ГОСТ
93
Окончание табл. 26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
93
94
94
АК12 (АЛ2)
АК9ч (АЛ4)
АК7ч (АЛ9)
АК5М (АЛ5)
АМ5 (АЛ19)
АМг5К (АЛ13)
АД1
АМц
АМг
АМг3
АМг6
Д1
АК6
АК8
Д16
Марка
металла,
сплава
Коэффициент
линейного расширения α⋅10–6, 1/°С
σв,
МПа
НВ
Удельная прочность, усл. ед.
Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые, ГОСТ 4784–97
2,70
23,8
140
32
52,0
2,73
24,0
130
30
48,0
2,67
23,8
170
45
64,0
2,67
23,5
190
45
71,0
2,7
23,2
300
60
111,0
2,8
21,8
410
115
146,0
2,75
21,4
420
105
153,0
2,8
25,5
480
135
171,0
2,78
21,4
420
105
151,0
Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 1583–93
2,65
21,1
150
50
57,0
2,65
21,7
200
70
76,0
2,66
23,0
200
50
75,0
2,7
22,5
220
70
81,5
2,67
22,8
320
80
120,0
2,6
20,0
170
65
65,0
Плотность,
г/см3
У
У
У
Н
Н
В
В
В
В
В
В
У
У
У
У
Коррозионная
стойкость
Таблица 27
Физико-механические и эксплуатационные свойства некоторых цветных металлов и сплавов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЦА4
ЦАМ4-1
ЦАМ4-3
МЛ5
МЛ9
МЛ11
МА1
МА2
МА5
МА11
МА14
2,63
2,94
АМг10 (АЛ27)
АК7Ц9 (АЛ11)
Коэффициент
линейного расширения α⋅10–6, 1/°С
σв,
МПа
НВ
Удельная прочность, усл. ед.
21,3
320
75
122,0
24,4
220
80
75,0
Сплавы магниевые деформируемые, ГОСТ 14957–76
1,76
22,3
200
45
114,0
1,78
26,0
270
55
152,0
1,82
26,1
320
65
176,0
1,8
25,7
270
—
150,0
1,82
—
330
—
183,0
Сплавы магниевые литейные, ГОСТ 2856–79
1,82
26,8
220
50
121,0
1,80
26,0
230
50
128,0
1,78
26,4
130
45
73,0
Сплавы цинковые литейные, ГОСТ 19424–97
6,70
—
250
75
37,0
6,68
—
300
90
45,0
6,65
—
350
90
53,0
Плотность,
г/см3
Марка
металла,
сплава
В
В
У
У
У
У
У
У
У
У
У
В
Н
Коррозионная
стойкость
95
Продолжение табл. 27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
95
96
Плотность,
г/см3
Коэффициент
линейного расширения α⋅10–6, 1/°С
σв,
МПа
НВ
Удельная прочность, усл. ед.
96
В
В
У
В
В
В
У
У
У
У
У
—
—
Коррозионная
стойкость
Сплавы цинковые антифрикционные, ГОСТ 21437–75
ЦАМ9-9,5
6,21
—
300
90
48,0
ЦАМ10-5
6,3
—
400
110
63,5
Медь, ГОСТ 859–2001
М0, М1, М2, М3
8,94
16,6
400
45
45,0
Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением, ГОСТ 15527–2004
Л68
8,60
19,0
320
55
37,0
Л63
8,43
20,6
400
60
47,0
ЛС59-1
8,5
20,6
400
90
47,0
ЛМц58-2
8,4
21,2
400
85
47,5
Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные, ГОСТ 17711–93
ЛЦ40С
8,5
20,1
400
85
47,0
ЛЦ30А3
8,5
—
350
90
41,0
ЛЦ40МцЗЖ
8,5
22,0
500
110
59,0
ЛЦ16К4
8,3
17,0
350
100
42,0
Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением, ГОСТ 5017–74
БрОФ7-0,2
8,8
17,5
360
65
41,0
БрОФ6,5-0,4
8,7
17,0
400
80
46,0
Марка
металла,
сплава
Продолжение табл. 27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВТ5
ВТ3-1
БрА9Мц2Л
БрА10ЖЗМц2
БрА11Ж6Н6
БрО8Ц4
БрО3Ц12С5
БрО5Ц5С5
БрАМц9-2
БрАЖ9-4
БрБ2
БрАЖН10-4-4
БрОФ6,5-0,15
БрОЦ4-3
Марка
металла,
сплава
Коэффициент
линейного расширения α⋅10–6, 1/°С
σв,
МПа
НВ
Удельная прочность, усл. ед.
8,7
17,5
350
70
40,0
8,3
18,0
300
60
36,0
Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением, ГОСТ 18175–78
7,6
17,0
400
160
53,0
7,5
16,2
400
100
53,0
8,2
17,0
500
140
61,0
8,2
17,1
600
150
73,0
Бронзы оловянные литейные, ГОСТ 613–79
8,7
17,0
196
75
22,5
8,8
17,1
190
60
21,5
8,8
17,1
180
60
20,5
Бронзы безоловянные литейные, ГОСТ 493–79
8,8
17,2
390
80
44,0
8,8
17,5
440
110
50,0
8,9
17,2
590
160
66,0
Сплавы титановые, обрабатываемые давлением, ГОСТ 19807–91
4,5
8,0
900
—
200,0
4,5
8,6
1100
40
244,0
Плотность,
г/см3
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
Коррозионная
стойкость
97
Продолжение табл. 27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
97
98
4,5
4,5
4,6
ВТ5Л
ВТ3-1Л
ВТ9Л
σв,
МПа
НВ
8,0
750
70
8,0
670
—
Сплавы титановые литейные
8,0
690
—
8,5
930
40
8,2
930
45
Коэффициент
линейного расширения α⋅10–6, 1/°С
153,0
207,0
202,0
165,0
149,0
Удельная
прочность,
усл. ед.
В
В
В
В
В
Коррозионная
стойкость
П р и м е ч а н и е . Оценки коррозионной стойкости: В — высокая; У — удовлетворительная; Н — низкая.
4,55
4,5
Плотность,
г/см3
ОТ4
ОТ4-1
Марка
металла,
сплава
Окончание табл. 27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Магний имеет минимальную плотность среди технических металлов, однако из-за плохого комплекса эксплуатационных свойств
как конструкционный материал в чистом виде он не применяется.
Магниевые сплавы прочны, имеют малую плотность, высокую
удельную прочность, удовлетворительную коррозионную стойкость
к атмосферным воздействиям, однако они не устойчивы в морской
воде, в среде органических и минеральных кислот.
Важнейшими легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий, цинк, марганец. Алюминий вводят для увеличения прочности и пластичности сплава, однако с увеличением содержания алюминия увеличивается склонность к коррозионному
растрескиванию под напряжением. Цинк способствует повышению
коррозионной стойкости сплава. Марганец вводят для повышения
коррозионной стойкости и увеличения прочности магниевого сплава.
Сплавы цинка достаточно прочны, обладают высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям. Цинковые
литейные сплавы используют ограниченно в качестве антифрикционных материалов. Цинк часто применяют для электрохимической защиты железосодержащих сплавов.
Медь имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую
пластичность и достаточную прочность. Механические свойства
меди зависят от предварительной термической обработки. Предел
прочности нагартованной меди в 2 раза выше, чем отожженной.
Медь хорошо смачивается маслом, сопротивляется контактному
охватыванию, особенно в пассивированном состоянии. Антифрикционные свойства меди недостаточно высоки и не допускают ее
применения при трении скольжения и действии больших нагрузок.
В атмосферных условиях она корродирует незначительно; растворяется в азотной и серной кислотах; в щелочах и соляной кислоте
растворяется медленно. Медь защищает железосодержащие сплавы механически.
Медно-цинковые сплавы (латуни) обладают высокой прочностью (особенно в наклепанном состоянии), хорошей пластичностью
(в отожженном состоянии), высокой коррозионной стойкостью.
Наибольшую пластичность имеют латуни, содержащие 30…32 %
цинка, а наибольшую прочность — содержащие 42…45 % цинка
(авиационные латуни). Чаще применяют латуни, обрабатываемые
давлением.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бронзами называют сплавы на медной основе с добавками олова, алюминия, кремния, бериллия. Оловянные бронзы обладают
хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами.
Чисто оловянные бронзы по экономическим соображениям в настоящее время не применяют из-за дефицита и высокой стоимости
олова. При ограничении содержания олова до 10 % в оловянные
бронзы добавляют фосфор, цинк для улучшения их механических
свойств. Введением свинца улучшают главным образом антифрикционные свойства бронз. Безоловянные бронзы обладают
также высокими механическими свойствами, имеют хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства.
Титан и его сплавы имеют малую плотность, высокую удельную прочность, высокие физико-механические свойства и коррозионную стойкость к действию кислот, щелочей и морской воды.
Небольшой коэффициент линейного расширения способствует
эффективной эксплуатации титановых деталей в условиях нестационарных тепловых полей. Титан устойчив против кавитационной коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением.
В обычной атмосфере он стоек против окисления до 400…500 °С,
при более высоких температурах проявляет реакционную способность к кислороду, азоту, водороду. Поглощение водорода вызывает охрупчивание титана (водородная хрупкость). При нагревании до температуры выше 800 °С титан активно поглощает
указанные газы. Жаростойкость увеличивается путем легирования
хромом, алюминием, кремнием.
Экспертные оценки технологических свойств некоторых цветных металлов и сплавов представлены в табл. 28. Приведенные
оценки являются условными, однако их можно использовать для
сравнения при выборе материала.
Деформируемые алюминиевые сплавы в целом обладают высокой технологической пластичностью и свариваемостью.
Среди литейных алюминиевых сплавов лучшими литейными
свойствами обладают сплавы системы «алюминий — кремний»
(силумины). Сплавы системы «алюминий — медь» обладают
пониженными литейными свойствами, склонны к образованию
усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости. Преимущество этих сплавов — теплопрочность. Сложные алюминиевые
сплавы, легированные медью и кремнием, обладают высокой жид100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
котекучестью. Алюминиево-магниевые сплавы склонны к окислению, образованию усадочных трещин, обладают пониженной
жидкотекучестью; изготовление отливок вызывает трудности.
Таблица 28
Оценки технологических свойств
некоторых цветных металлов и сплавов
Марка металла
(сплава)
Литейные
свойства
Технологическая
пластичность
Обрабатываемость
резанием
Свариваемость
Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые, ГОСТ 4748–74
АД1
У
В
Н
В
АМц
У
В
Н
В
АМг
У
В
Н
В
АМг3
У
В
Н
В
АМг6
У
В
У
У
Д1
У
У
У
У
АК6
У
В
В
В
АК8
У
У
В
В
Д16
У
У
У
В
Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 1583–89
АК12 (АЛ2)
В
У
Н
В
АК9ч (АЛ4)
В
У
Н
В
АК7ч (АЛ9)
В
У
У
В
АК5М (АЛ5)
В
У
У
У
АМ5 (АЛ19)
В
У
В
В
АМг5К (АЛ13)
В
У
В
У
АМг10 (АЛ27)
В
У
В
У
АК7Ц9 (АЛ11)
В
У
В
В
Сплавы магниевые деформируемые, ГОСТ 14957–76
МА1
—
В
В
В
МА2
—
В
В
В
МА5
В
У
В
У
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 28
Марка металла
(сплава)
МА11
МА14
Литейные
свойства
Технологическая
пластичность
Обрабатываемость
резанием
Свариваемость
У
У
У
У
У
В
У
У
Сплавы магниевые литейные, ГОСТ 2856–79
МЛ5
В
У
В
У
МЛ9
В
У
В
Н
МЛ11
В
У
В
У
Сплавы цинковые литейные, ГОСТ 19424–74
ЦА4, ЦАМ4-1,
В
У
В
Н
ЦАМ4-3
Сплавы цинковые антифрикционные, ГОСТ 21437–75
ЦАМ9-1,5,
В
В
В
Н
ЦАМ10-5
Медь, ГОСТ 859–2001
М0, М1,
В
В
В
В
М2, М3
Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением,
ГОСТ15527–70
Л68, Л63
У
В
В
В
ЛС59-1
У
В
В
—
ЛМц58-2
У
В
Н
—
Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные, ГОСТ 17711–80
ЛЦ40С
В
У
В
—
ЛЦ30А3
В
У
В
—
ЛЦ40МуЗЖ
В
—
В
—
ЛЦ16К4
В
—
В
—
Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением, ГОСТ5017–74
БрОФ7-0,2,
БрОФ6,5-0,4,
В
—
Н
—
БрОФ6,5-0,15
БрОЦ4-3
В
—
Н
—
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 28
Марка металла
(сплава)
Литейные
свойства
Технологическая
пластичность
Обрабатываемость
резанием
Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением,
ГОСТ 18175–78
БрАМц9-2,
В
В
Н
БрАЖ9-4
БрБ2
В
—
В
БрАЖН10-4-4
В
В
Н
Бронзы оловянные литейные, ГОСТ613–79
Бр08Ц4,
Бр03Ц12С5,
В
—
В
Бр05Ц5С5
Бронзы безоловянные литейные, ГОСТ 493–79
БрА9Мц2Л,
БрА10ЖЗМц2,
В
—
В
БрА11Ж6Н6
Сплавы титановые, обрабатываемые давлением,
ГОСТ 19807–74
ВТ5
—
У
Н
ВТ3-1
—
В
Н
ОТ4, ОТ4-1
—
В
Н
Сплавы титановые литейные
ВТ5Л
В
—
Н
ВТ3-1
В
—
Н
ВТ9Л
В
—
Н
Свариваемость
В
—
В
Н
Н
В
Н
В
В
Н
У
П р и м е ч а н и е . Оценки технологических свойств: В — высокая;
У — удовлетворительная; Н — низкая.
Алюминиевые сплавы склонны к газопоглощению, что приводит к получению отливок с газовой пористостью и раковинами.
Несмотря на то что линейная усадка алюминиевых сплавов невысока (0,9…1,4 %), они склонны к усадочной пористости.
Медные сплавы в целом обладают высокими литейными свойствами и достаточной технологической пластичностью. Линейная
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
усадка оловянных бронз составляет 1,25…1,6 %; они имеют хорошую жидкотекучесть, но склонны к рассеянной усадочной пористости. Литейные свойства безоловянных бронз хуже, чем оловянных: ниже жидкотекучесть, выше склонность к окислению,
значительна линейная усадка 2,0…3,0 %.
Титановые деформируемые сплавы обладают достаточно высокой технологической пластичностью в горячем состоянии. В
литейных титановых сплавах основным легирующим элементом
является алюминий. Наиболее высокие литейные свойства у
сплава ВТ5Л. Многие литейные титановые сплавы по химическому составу аналогичны соответствующим маркам деформируемых титановых сплавов. Поэтому принципиально возможно
получение качественного литья из деформируемых титановых
сплавов.
Комплекс эксплуатационных и технологических свойств цветных
металлов и сплавов определяет их примерное назначение (табл. 29).
Таблица 29
Примерное назначение некоторых цветных металлов и сплавов
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
Алюминий и сплавы алюминиевые
деформируемые,
ГОСТ 4784–97
АД1
АМц
104
Назначение
—
Малонагруженные изделия и элементы конструкций с высокой коррозионной стойкостью,
электро- и теплопроводностью. Детали электропроводки. Заклепки для кожухов, прокладки,
детали вентиляционных систем самолетов
Малонагруженные изделия и элементы конструкции, изготовляемые обработкой давлением,
обладающие высокой коррозионной стойкостью:
баки, бензо- и маслопроводы, горловины, кронштейны, патрубки, фланцы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
АМг
АМг3
АМг6
Д1
АК6
АК8
Д16
Сплавы алюминиевые литейные,
ГОСТ 1583–93
АК12 (АЛ2)
Назначение
Средненагруженные детали и элементы сварных
конструкций, обладающие высокой коррозионной стойкостью. Баки, бензо- и маслопроводы,
стенки входных патрубков, заглушки, детали
авиационной техники
Средненагруженные детали и элементы сварных
конструкций, обладающие высокой коррозионной стойкостью, детали авиационной техники
Высоконагруженные детали, эксплуатирующиеся при комнатной температуре, обладающие
невысокой коррозионной стойкостью. Детали
каркасов авиационной техники, штампованные
узлы креплений, лопасти винтов, заклепки
Детали сложной формы, изготовляемые обработкой давлением, обладающие средней прочностью: крыльчатки компрессоров и вентиляторов, заборники, лопатки компрессоров, диффузоры
Высоконагруженные детали несложной формы,
изготовляемые обработкой давлением: рамы,
фитинги. Не рекомендуется для изготовления
тонкостенных деталей ввиду склонности к межкристаллитной коррозии
Высоконагруженные детали и элементы сварных
конструкций. Детали каркаса, обшивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр самолетов
—
Ответственные коррозионно-стойкие детали:
планшайбы, шкивы, корпусы пневмоцилиндров.
Мелкие детали сложной формы, не подверженные значительным нагрузкам. Детали агрегатов
и приборов авиатехники
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
АК9ч (АЛ4)
АК7ч (АЛ9)
АК5М (АЛ5)
АМ5 (АЛ19)
АМг5К (АЛ13)
АК7Ц9 (АЛ11)
АМг10 (АЛ27)
Сплавы магниевые
деформируемые,
ГОСТ 14957–76
МА1
106
Назначение
Крупные детали, эксплуатирующиеся при ударных нагрузках и коррозионных средах: корпусы,
блоки цилиндров, корпусы масляных форсунок,
фланцы при рабочей температуре не более
200…250 °С
Детали сложной конфигурации при требованиях
герметичности и коррозионной стойкости:
кронштейны, качалки, педали
Крупные и средние детали, подверженные
значительным нагрузкам: корпусы форсунок,
фермы, картеры головок цилиндров и другие
детали, эксплуатирующиеся при температуре
не более 200…250 °С
Детали агрегатов, эксплуатирующиеся
при умеренных нагрузках и температуре
не выше 175…300 °С
Умеренно нагруженные детали, эксплуатирующиеся в контакте с химически активными средами,
обладающие высокой коррозионной стойкостью
Детали, обладающие антифрикционными
свойствами: втулки подшипников, сопряженные
с термически обработанными валами. Крупные
отливки высокой прочности
Силовые детали, эксплуатирующиеся при температуре от –60 до +60 °С в морской воде и под
действием водяного тумана
—
Малонагруженные элементы сварных конструкций и детали, изготовляемые обработкой давлением: арматура топливных и масляных систем
самолетов, детали несложной конфигурации,
не несущие высоких нагрузок
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
МА2
МА5
МА11
МА14
Сплавы магниевые
литейные,
ГОСТ 2856–79
МЛ5
МЛ9
МЛ11
Сплавы цинковые
литейные,
ГОСТ 19424–97
ЦА4
ЦАМ4-1
ЦАМ4-3
Назначение
Умеренно нагруженные детали сложной конфигурации, элементы сварных конструкций, изготовляемые обработкой давлением: крыльчатки,
крышки масляных насосов
Высоконагруженные детали (кронштейны,
качалки и др.), изготовляемые обработкой
давлением
Детали, нагревающиеся в процессе эксплуатации
Высоконагруженные детали
—
Высоконагруженные детали сложной конфигурации: барабаны, качалки, авиаколеса и др.
Сложные детали, к которым не предъявляют
требования высокой коррозионной стойкости:
корпусы приборов и аппаратуры
Средненагруженные детали сложной конфигурации, эксплуатирующиеся при температуре
не более 200 °С
Средненагруженные детали, эксплуатирующиеся
длительно при температуре до 300 °С, кратковременно — до 400 °С
—
Литые детали средней прочности со стабильными размерами
Литые детали средней прочности: корпусы
карбюраторов, насосов
Детали повышенной прочности
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
Назначение
Сплавы цинковые
антифрикционные,
ГОСТ 21437–75
—
ЦАМ10-5
ЦАМ9-1,5
Медь,
ГОСТ 859–2001
М0, М1, М2, М3
Сплавы медноцинковые (латуни),
обрабатываемые
давлением,
ГОСТ 15527–2004
Л63, Л68
ЛС59-1
ЛМц58-2
Сплавы медноцинковые (латуни)
литейные,
ГОСТ 17711–93
ЛЦ40С
ЛЦ30А3
108
Моно- и биметаллические детали в конструкциях
подшипников скольжения: вкладыши, втулки
То же, а также прокатанные полосы, предназначенные для направляющих скольжения металлорежущих станков
—
Детали электротехнических устройств. Маслопроводы, прокладки, уплотнительные кольца,
шайбы и др.
—
Радиаторы, шайбы, прокладки, втулки, трубопроводы. Детали, изготовляемые обработкой
давлением
Трубы, винты, штифты, шпильки, корпусы кранов, заглушки, тройники, жиклеры, втулки и др.
Детали простой формы из заготовок, полученных обработкой давлением: гайки, болты,
арматура и др.
—
Фасонное литье, втулки, сепараторы подшипников
Мелкие и средние умеренно нагруженные детали, эксплуатирующиеся в коррозионно-активных
средах
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
Лц40Мц3Ж
Лц16К4
Бронзы оловянные,
обрабатываемые
давлением,
ГОСТ 5017–74
БрОФ6,5-0,15
БрОФ6,5-0,4
БрОФ7-0,2
БрОЦ4-3
Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением,
ГОСТ 18175–78
БрАМц9-2
БрАЖ9-4
БрБ2
БрАЖН10-4-4
Назначение
Несложные по конфигурации детали ответственного назначения, эксплуатирующиеся при температуре до 300 °С. Детали судов
Детали арматуры и детали, эксплуатирующиеся
в морской среде
—
Детали с высокой коррозионной стойкостью.
Упругие элементы (контакты, мембраны)
приборов
—
Нагруженные детали: червяки, шестерни, втулки
Детали, работающие на изнашивание: втулки
и вкладыши подшипников, сопряженные с термически обработанными валами при средних
частотах вращения; червячные колеса, сопряженные с термически обработанными червяками; детали насосов; фрикционные диски; упорные кольца; фланцы; опорные пяты; шайбы;
гайки
Упругие элементы, эксплуатирующиеся
при повышенной температуре: пружины,
клеммы, контакты
Ответственные детали, эксплуатирующиеся
в условиях интенсивного изнашивания: направляющие, втулки, клапаны, шестерни
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
Назначение
Бронзы оловянные
литейные,
ГОСТ 613–79
—
Бр08Ц4
Бр03Ц12С5
Бр05Ц5С5
Бронзы безоловянные литейные,
ГОСТ 493–79
БрА9Мц2Л
БрА10ЖЗМц2
Сплавы титановые, обрабатываемые давлением,
ГОСТ 19807–91
ВТ3-1
ВТ5
110
Детали, изготовляемые из отливок, эксплуатирующиеся в пресной и морской воде, в паровоздушных и масляных средах
Детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного изнашивания: подшипники шпинделей,
венцы червячных колес в сопряжении с незакаленным червяком, литые вкладыши подшипников
—
Гребные винты судов, тяжело нагруженные
зубчатые колеса, корпусы насосов
Элементы обшивки самолетов при сверхзвуковых скоростях полета (до М = 3…4), когда поверхность нагревается до 400…450 °С, элементы
крыльев самолетов. Воздухопроводы и трубопроводы гидравлических систем самолетов, немагнитные топливные баки, створки шасси, бандажи, тяги, высоконагруженные болты,
шпильки. Детали, эксплуатирующиеся в агрессивных средах и испытывающие значительные
нагрузки: каркас и обшивка судов, детали медицинских протезов, медицинские инструменты
Диски, лопатки вентиляторов и компрессоров
ГТД, эксплуатирующиеся при температуре
до 450…500 °С, срок службы до 3000 ч.
Крепежные детали
Детали, эксплуатирующиеся при температуре
до 400 °С, корпусы компрессоров ГТД, лопатки
направляющих аппаратов и рабочие лопатки
последних ступеней компрессоров ГТД
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 29
Наименование
металла (сплава),
ГОСТ, марка
ВТ8
ВТ9
ВТ18
ВТ25
ОТ4
ОТ4-1
Сплавы титановые литейные
ВТ3-1Л
ВТ5Л
ВТ9Л
Назначение
Барабаны роторов компрессоров ГТД, соединяемые электронно-лучевой сваркой, эксплуатирующиеся при температуре до 500 °С, срок
службы до 6000 ч
Лопатки последних ступеней компрессора,
направляющие (сопловые) аппараты ГТД,
эксплуатирующиеся при температуре до 450 °С,
срок службы до 6000 ч. Крепежные детали
Лопатки последних ступеней компрессора,
направляющие (сопловые) аппараты ГТД, эксплуатирующиеся при температуре до 500 °С
Лопатки последних ступеней компрессора,
направляющие (сопловые) аппараты ГТД,
эксплуатирующиеся при температуре до 500 °С
(6000 ч), 550 °С (3000 ч)
Детали, изготовляемые из заготовок, получаемых обработкой давлением, элементы сварных
конструкций, эксплуатирующиеся при температуре 300…350 °С при сроках службы
3000…10 000 ч соответственно. Возможно кратковременное повышение (100 ч) рабочей температуры до 500 °С. Кожухи камер сгорания,
реактивные сопла, направляющие (сопловые)
аппараты
—
Литые лопатки компрессоров ГТД, длительно эксплуатирующиеся при температуре 400…500 °С
Детали, изготовляемые из литых заготовок, длительно эксплуатирующиеся при температуре
до 400 °С
Детали ГТД, ГТУ, изготовляемые из литых заготовок и длительно эксплуатирующиеся при температуре не более 500 °С, срок службы до 2000 ч
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.4. Неметаллические материалы
Неметаллические материалы, применяемые в машиностроении,
весьма разнообразны: пластмассы (газонаполненные, со слоистыми наполнителями, древесно-слоистые, прозрачные, волокнистые
и т. д.), резина, кожа, картон, текстильные материалы (ткани), керамические материалы (конструкционная керамика). Поставки неметаллических материалов осуществляются в соответствии с сортаментом (табл. 30).
Таблица 30
Неметаллические материалы. Марки, сортамент
и технические требования
Наименование
материалов и изделий
Асботекстолит
электротехнический листовой
Войлок технический и детали
из него для машиностроения:
тонкошерстный
полугрубошерстный
грубошерстный
Гетинакс электротехнический
листовой
Картон прокладочный
и уплотнительные
прокладки из него
Листы из непластифицированного поливинилхлорида
(винипласт листовой)
Паронит и прокладки из него
Пластины резиновые
и резинотканевые
112
ГОСТ на марку,
сортамент
и технические
условия
Марки
неметаллических
материалов
16360–70
АСТ-А, АСТ-Б
288–72
6308–71
6418–81
ТС, ТПр, ТФ
ППрА, ППрБ, ПФ
ГС, ГПрА, ГПрБ,
ГФ, ГИ
2718–74
I, II, III, V, VI и др.
9347–74
А, Б
9639–71
ВН, ВНЭ, ВП, ВД
481–80
7338–90
ПОН, ПОН-1, ПМБ,
ПК, ПА и др.
ТМКШ, АМС,
МВС
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 30
Наименование
материалов и изделий
Стекло органическое
конструкционное
Стеклотекстолит
конструкционный
Стеклотекстолит электротехнический листовой
Стержни электротехнические
текстолитовые круглые
Текстолит и асботекстолит
конструкционные
Эбонит электротехнический:
пластины, стержни, трубки
Целлулоид
Фибра
ГОСТ на марку,
сортамент
и технические
условия
Марки
неметаллических
материалов
—
СОЛ, СТ-1, 2-55
10292–74
12652–74
5385–74
5–78
ВФТ-С, КАСТ-В,
КАСТ-Р, КАСТ
СТ, СТ-1, СТЭФ,
СТК и др.
—
ПТК, ПТ, ПТК-С,
ПТМ-1, ПТМ-2,
А, Б, Г
2748–77
А, Б, В
21228–85
14613–83
А, Б, В
ФТ, ФЭ, ФСВ и др.
Свойства неметаллических материалов, как эксплуатационные,
так и технологические, определяются их классами.
Основным классом современных неметаллических материалов,
используемых в машиностроении, являются пластмассы. Пластмассы имеют малую плотность, но по удельной прочности они
существенно уступают металлическим материалам. Их отличают
химическая стойкость, высокая адгезионная способность, хорошие
демпфирующие и изоляционные свойства.
В зависимости от числа компонентов пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т. п.) состоят из одного компонента — синтетической смолы,
композиционные (стеклотекстолиты, аминопласты и др.) — из нескольких составляющих, каждая из которых играет определенную
функциональную роль, а синтетическая смола является связующим для других составляющих.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из термопластичных пластмасс наиболее высокими прочностными свойствами обладают полистирол, поливинилхлорид (жесткий), фторопласт-3, поликарбонат, капрон, органическое стекло
(табл. 31).
Таблица 31
Основные свойства термопластичных пластмасс [2]
Материал
Полиэтилен высокого
давления
Полиэтилен низкого
давления
Полистирол
Поливинилхлорид
(жесткий)
Поливинилхлорид
(пластикат)
Фторопласт-3
Фторопласт-4
Поликарбонат
Капрон
Органическое стекло
Эпоксидно-диановые
смолы
σв, МПа
δ, %
Температура
эксплуатации
(без нагрузки), °С
10 – 18
300 – 1000
65 – 75
20 – 30
100 – 600
70 – 80
40 – 60
3–4
50 – 70
50 – 65
20 – 50
60 – 80
10 – 40
50 – 300
50 – 55
35 – 45
20 – 40
60 – 65
75 – 95
70 – 90
160 – 190
250 – 500
80 – 120
50 – 130
5–6
100 – 150
200 – 250
120 – 135
80 – 100
65 – 90
65 – 90
3–4
—
Полиэтилены и фторопласты отличаются высокой химической
стойкостью, тепло- и морозоустойчивостью, высокими диэлектрическими свойствами, небольшим коэффициентом трения. Фторопласты износостойки и способны к эксплуатации без смазки. Детали из этих материалов могут эксплуатироваться в агрессивных
средах при значительных колебаниях температуры.
Полистирол, поливинилхлорид, поликарбонат, капрон и другие
полимеры относят к пластмассам средней прочности. Широко
применяют термопласты, армированные стекловолокном, вследст114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вие чего их теплостойкость и механическая прочность повышается
в 3 – 4 раза.
Наполненные термореактивные пластмассы (реактопласты)
обладают более высокой прочностью по сравнению с термопластами. Особенно это относится к реактопластам с волокнистым наполнителем (волокниты) и слоистым наполнителем (текстолиты,
гетинаксы, стеклотекстолиты) (табл. 32). Практически все сложные пластики анизотропны.
Таблица 32
Основные свойства термореактивных пластмасс [2]
Материал
σв, МПа
δ, %
Температура
эксплуатации
(без нагрузки),
°С
Термореактивные полимеры
без наполнителей:
фенолформальдегидные
полиэфирные
эпоксидные
кремнийорганические
Порошковые реактопласты
Волокниты
Гетинаксы
Текстолиты
Стеклотекстолиты
Компаунды ЭП
15 – 35
42 – 70
26 – 70
20 – 40
30 – 60
30 – 90
60 – 70
65 – 110
200 – 600
40 – 45
1–5
2
3–6
5 – 10
1–3
1–3
—
1–3
1–3
—
200
95 – 120
80 – 130
300 – 350
100 – 200
120 – 140
125
90 – 100
200 – 400
60 – 140
Стеклотекстолиты относят к высокопрочным материалам.
Они имеют малую плотность, высокую удельную прочность и
жесткость.
Свойства и основное назначение некоторых конструкционных
пластмасс представлены в табл. 33 [5].
115
116
116
Полиэтилен низкого
давления (высокой
плотности);
ГОСТ 16338–85
Полиэтилен
высокого давления
(низкой плотности);
ГОСТ 16337–77
Наименование
пластмассы; стандарт
Нейтральный материал кристаллической
структуры с низким водопоглощением;
стабилен во влажной среде; имеет
невысокую прочность, значительное
удлинение при разрыве; эластичен, стоек
к растрескиванию; имеет хорошие
диэлектрические показатели. Химически
стоек к агрессивным средам и органическим растворителям, за исключением
бензина, бензола, хлороформа и четыреххлористого углерода; нетоксичен
Нейтральный материал кристаллической
структуры с большим содержанием кристаллической фазы, более высокими
плотностью, механической прочностью
и теплостойкостью, чем у полиэтилена
высокого давления (ПВД), хорошими
диэлектрическими свойствами. Химически стоек, более стоек к бензину,
бензолу, хлороформу, чем ПВД
Свойства
Несиловые машиностроительные
детали, корпусные детали приборостроения, трубы, фитинги, емкости,
электроизоляционные материалы,
пленки, покрытия, детали вентиляционных установок и насосов, гальванических ванн
Несиловые детали типа пробок,
заглушек, прокладок, пленочных
изделий, труб, емкостей типа
канистр, электроизоляционных материалов, защитных антикоррозионных и декоративных покрытий
Основное назначение
Свойства и основное назначение некоторых конструкционных пластмасс
Таблица 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поливинилхлорид
суспензионный
ПВХ-С-55, ПВХ-С-47;
ГОСТ 14332–78
Полипропилен
термостабилизированный
02П, 03П;
ТУ 6-05-1105–78
Наименование
пластмассы; стандарт
Трубы, фитинги, детали текстильного машиностроения (бобины, шпули
и т. п.), детали вентиляторов стиральных машин, электроприборов,
пленки, волокна
Более жесткий материал, чем полиэтилен. Благодаря правильному расположению группировок атомов относительно
основной цепи (изотактический полимер) отличается большей прочностью и
теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом низкого давления (ПНД),
но меньшей, примерно в 5 раз, морозостойкостью (температура хрупкости).
Химически стоек (например, в 58%-ной
перекиси водорода при комнатной
температуре). Подвержен более
интенсивному старению, чем ПНД
Аморфный материал подвержен термодеструкции при температуре выше
140 °С. Для повышения стойкости против старения вводят стабилизаторы. Винипласт* обладает высокой химической
стойкостью
117
117
Винипласт: футеровка металлической аппаратуры, детали вентиляторов, воздуховодов, химических аппаратов, труб, фитингов. Пластикат:
пленка, линолеум, изоляция проводов и кабелей, гибких трубок. Гидропласт: для заполнения полостей
приспособлений к металлорежущим
станкам. На основе поливинилхлорида (ПВХ) изготовляют пенои поропласты
Основное назначение
Свойства
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
118
118
Полистирол
ударопрочный
Модифицированный
полистирольный пластик
АБС-1;
ТУ 6-05-1578–78
Полистирол общего
назначения
(блочный, эмульсионный,
суспензионный);
ГОСТ 20282–86
Наименование
пластмассы; стандарт
Более жесткий материал, чем ПВД
и ПНД, с хорошими диэлектрическими
свойствами; недостаток — хрупкость
и низкая теплостойкость. Химически
стоек. Для повышения ударной вязкости
и теплостойкости используют сополимеризацию полистирола с другими мономерами или с каучуками. При введении
в полистирол порофоров и последующем
вспенивании получают пенополистирол,
отличающийся высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, незначительной плотностью, химической стойкостью и водостойкостью
Более высокая ударная вязкость, чем
у полистирола общего назначения
Высокая ударная вязкость, повышенная
теплостойкость, стойкость к щелочам,
смазочным маслам
Свойства
Крупногабаритные изделия в автомобилестроении, электротехнике
Детали холодильников и др.
Корпусные детали приборов, радиоэлектронной аппаратуры, различных
изоляторов, в том числе и установок
токов высокой частоты, крупногабаритных деталей холодильников, деталей внутренней отделки самолетов, вагонов (пенополистирол —
тепло- и звукоизоляция в промышленности и строительстве)
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фторопласт-4Д;
ГОСТ 14906–77
Фторопласт-4;
ГОСТ 10007–80
Наименование
пластмассы; стандарт
Нейтральный материал кристаллической
структуры. В зависимости от скорости
охлаждения можно получать материал
с различной кристалличностью. Совершенно не поглощает воду, стоек во
влажной среде. Химически стоек ко всем
кислотам и щелочам. Низкий коэффициент трения. Высокая теплостойкость.
Хорошие диэлектрические свойства,
в том числе при высоких частотах тока.
Низкие механические свойства. Хладотекучесть (развитие деформации при
небольших напряжениях и температуре).
При температуре выше 320 °С начинает
разлагаться с выделением токсичного
фтора. Для увеличения прочности применяют различные наполнители, в частности графитизированный уголь, коксовую муку, рубленое стеклянное волокно
Отличается от фторопласта-4 меньшей
молекулярной массой. Свойства те же,
что у фторопласта-4. Более технологичен в переработке
Свойства
119
119
Шланги специального назначения,
уплотнительный материал; суспензия для покрытий
Прокладки, уплотнения, сильфоны,
детали химического машиностроения, подшипники скольжения,
изоляционная пленка
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
120
120
Полиметилметакрилатный
порошок Л-1;
ТУ 6-01-1074–76
Стекло органическое
конструкционное
СОЛ, СТ-1, 2-55;
ГОСТ 15809–70
Наименование
пластмассы; стандарт
Пластифицированный (СОЛ) и непластифицированный (СТ-1) полимер
метакриловой кислоты. Хорошая светопрозрачность. Недостаток — поверхностное растрескивание (серебристость).
Сравнительно высокие механические
показатели. Для повышения статической
прочности изделий производят вытяжку
стекла в высокоэластическом состоянии,
в результате чего получают макромолекулы ориентированной структуры.
Ориентированный материал отличается
высокой пластичностью, большой
сопротивляемостью растрескиванию,
малой чувствительностью к концентрации напряжений, способностью выдерживать значительные деформации
без разрушения
Сополимер метилметакрилата с метилкрилатом. Светопрозрачность. Хорошие
бензо- и маслостойкость. Хрупок
Свойства
Детали сложного профиля, радиодетали и детали, соприкасающиеся
с бензином и маслами
Стекла машин и приборов, светопрозрачные корпусы и кожухи
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свойства
Повышенные механические свойства,
высокая светопрозрачность, повышенная
теплостойкость
Небольшое водопоглощение, относительно стабильные свойства
Наиболее жесткий из всех полиамидов.
Наибольший модуль упругости и наименьшее относительное удлинение при
разрыве. Полимеризация материала в
форме без давления позволяет получать
заготовки любой массы. Материал удобен для проведения экспериментальных
работ, так как опытную деталь можно
изготовить из заготовки без дорогостоящей пресс-формы
Наименование
пластмассы; стандарт
Полиметилметакрилат
литьевой ЛСОМ-1;
ОСТ 6-01-67–77
Полиамид 610 литьевой;
ГОСТ 10589–73
Капролон В;
ТУ 6-05-988–3
121
Ответственные детали (антифрикционные и конструкционные)
со стабильными размерами и свойствами
Толстостенные трубы. Подшипники
скольжения. Зубчатые колеса
Детали различного технического
назначения
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
121
122
122
Стеклотекстолит
конструкционный
марки КАСТ;
ГОСТ 10292–74
Пресс-материал
П-50С, П-75С;
ТУ 84-81–75
Материал прессовочный
АГ-4; ГОСТ 20437–89
Поликарбонат (дифлон)
всех марок;
ТУ 6-05-1668–80
Наименование
пластмассы; стандарт
Кристаллический полимер, отличающийся
высокой тепло- и морозостойкостью, низким
водопоглощением, отсутствием склонности
к ползучести. Характеризуется низкой и равномерной усадкой, что позволяет получать изделия высокого качества. Высокие электрические
показатели. Устойчивость к водным растворам
минеральных и органических кислот, минеральных солей и к окисляющим агентам
Однонаправленная лента на основе крученых
стеклянных нитей и анилино-фенолформальдегидной смолы
Фенолформальдегидная смола, модифицированная полиамидами; наполнитель — стеклолента; высокие механическая прочность и теплостойкость
Слоистый материал на основе стеклотканей,
пропитанных различными смолами, чаще всего
фенолформальдегидными и эпоксидными. Высокие механические и электроизоляционные
свойства. Хорошая стабильность. Высокая теплостойкость. Низкое водопоглощение
Свойства
Конструкционные детали,
к которым предъявляют повышенные требования
по прочности
Перегородки в летательных
аппаратах, различные электротехнические детали
То же
Корпусные детали в электротехнике, детали воздуходувок и холодильных машин,
трубы, вентили
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гетинакс электротехнический листовой;
ГОСТ 2718–74
Массы прессовочные
фенольные;
ГОСТ 5689–79
Асботекстолит;
ГОСТ 5–78
Текстолит
конструкционный ПТ;
ГОСТ 5–78
Наименование
пластмассы; стандарт
Композиции на основе фенолальдегидных смол,
различных наполнителей, отвердителей, красителей и смазывающих веществ. Низкая трудоемкость изготовления. Хорошие тепло- и электроизоляционные свойства
Изготовляют на основе хлопчатобумажной ткани и фенолформальдегидной смолы прессованием. Хорошие антифрикционные свойства,
высокая прочность при сжатии, небольшое
водопоглощение. Хорошие электроизоляционные показатели
Изготовляют на основе асбестовой ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой.
Хорошие фрикционные свойства, высокая теплостойкость
Хорошие электроизоляционные свойства
Свойства
Нагруженные детали общетехнического назначения
123
Электроизоляционные детали
Электротехнические детали
Подшипники скольжения,
зубчатые колеса автомобильных двигателей, пишущих
машинок, текстильных
машин
Основное назначение
Продолжение табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
123
124
Не имеет запаха, светостоек, может быть окрашен в любой цвет и абсолютно нетоксичен.
Хорошие диэлектрические свойства при минеральных наполнителях. Основные недостатки —
склонность к растрескиванию при эксплуатации
и высокое водопоглощение
Массы прессовочные
карбидо- и меламиноформальдегидные;
ГОСТ 9359–80
Подшипники скольжения
в судостроении, на железнодорожном транспорте, электроизоляционные детали
высокого напряжения, детали
текстильных машин и общего
машиностроения (зубчатые
колеса, фрикционные шкивы,
ступицы и т. п.). Силовые
обшивки, детали авиационных конструкций
Электроарматура, сигнальные кнопки, выключатели
высокого напряжения,
дугогасительные камеры
Основное назначение
124
Стабилизированный ПВХ называют винипластом, пластифицированный (30…40 % пластификатора) — пластикатом,
сильно пластифицированный (70…80 % пластификатора) — гидропластом.
*
Композиционный материал на основе древесного шпона и фенолформальдегидной смолы.
Хорошие антифрикционные и прочностные
свойства. Химически стоек
Свойства
Пластик древесный
слоистый ДСП-Б-а;
ГОСТ 20966–75
Наименование
пластмассы; стандарт
Окончание табл. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее часто механической обработке подвергают стеклопластики, которые в большинстве своем имеют пониженную обрабатываемость резанием. Свариваемость термопластов представлена в табл. 34.
Назначение некоторых из отличных от пластмасс неметаллических материалов указано в табл. 35. Сравнительные оценки коррозионной стойкости неметаллических материалов в различных
средах представлены в табл. 36 [5].
Таблица 34
Полиэтилен
воздухом в смеси
с продуктами горения
инертным
Сварка
нагретым газом
воздухом
Нагретым инструментом
Фрикционный способ
Токи высокой частоты
Материал
Ультразвук
Свариваемость термопластов
В
НеС
НеС
В
В
В
В
Полипропилен
НеП
НеП
НеП
В
У
У
НеП
Полиизобутилен
НеП
НеП
НеП
НеП
В
В
У
Поливинилхлорид
В
В
В
В
В
В
В
Полистирол
НеП
НеП
У
В
В
В
У
Полиметилметакрилат
В
В
У
В
НеП
НеП
У
Полиамиды
В
В
НеП
В
НеП
В
НеП
НеП
НеП
НеП
В
У
У
НеП
Фторопласт-4
П р и м е ч а н и е . Показатели свариваемости имеют следующие обозначения: В — высокая; У — удовлетворительная; НеС — не сваривается; НеП — не
применяется.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 35
Назначение различных неметаллических материалов
Материал
Картон прокладочный А, Б
Паронит ПОН
Пластины резиновые
и резинотканевые:
тепломорозокислотощелочестойкие
ограниченно
маслобензостойкие
повышенно
маслобензостойкие
Резина для деталей
Кожа техническая
Войлок технический
полугрубошерстный ПС
Стиракрил
Стандарт
Примерное
назначение
ГОСТ 9347–74
ГОСТ 481–80
Прокладки
То же
ГОСТ 7338–90
Диафрагмы,
прокладки
и буфера
ТУ 38-005-204–84
ГОСТ 20836–75
ГОСТ 6308–71
—
Уплотнения
Манжеты,
прокладки
Сальники
Материал
для заполнения пустот
в штампах
В изделиях новейших отраслей техники, энергетического и
транспортного машиностроения все большее распространение
находят детали из конструкционной керамики (КК). Основой КК
являются неметаллические тугоплавкие соединения с температурой плавления более 1500 °С. Указанные соединения обладают
высокой твердостью, статической прочностью, химической стойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Однако им присуща
хрупкость, обусловленная особенностями межатомного взаимодействия.
Наиболее широкое распространение в машиностроении получила КК на основе нитрида и карбида кремния, оксидов циркония
и алюминия и др.
126
С
ПС
НС
Древесина
Лак перхлорвиниловый
Винипласт
Замазка кислотоупорная
Лак битумный
—
С
—
С
С
—
С
ПС
—
С
ПС
С
Кислота азотная
НС
Аммиак
Бетон гидроскопический
Бетон кислоупорный
Графит, уголь
Материал
Анилин
НС
НС
—
—
—
—
—
—
Ацетилен
—
—
—
—
—
—
—
—
Ацетон
НС
НС
—
С
—
—
—
—
Бензол
—
НС
—
С
—
С
—
С
Дихлорэтан
НС
НС
—
—
—
—
—
—
Магний хлористый
—
—
—
ПС
НС
С
—
НС
Вода морская
С
—
—
—
С
—
—
НС
Кислота серная
С
С
—
С
НС
НС
С
НС
С
—
—
—
—
—
—
НС
Сероводород
Коррозионная стойкость неметаллических материалов в различных средах
С
С
С
НС
ПС
С
С
НС
Кислота соляная
Таблица 36
Фенол
ПС
—
—
С
—
С
—
—
Кислота фтористоводородная
127
С
—
—
НС
С
С
НС
НС
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
127
ПС
С
С
С
С
С
С
С
Полиэтилен
Полистирол
Текстолит
Резина (мягкая)
Стекло
Фарфор
Хлоропрен
Эбонит
128
ПС
Поливинилхлорид
Аммиак
С
—
С
С
ПС
—
ПС
С
ПС
—
Анилин
—
—
—
С
НС
—
—
—
НС
—
Ацетилен
—
—
С
С
НС
—
—
—
—
—
Ацетон
С
—
С
С
С
НС
ПС
С
—
—
Бензол
С
ПС
С
С
НС
С
НС
С
НС
С
Дихлорэтан
—
С
—
—
—
—
НС
—
—
—
Магний хлористый
С
—
С
С
С
С
С
—
С
—
Вода морская
—
—
—
С
—
С
—
—
—
—
Кислота серная
С
С
С
С
С
С
С
С
ПС
—
Сероводород
С
НС
С
С
ПС
—
—
—
—
—
С
С
С
С
С
С
С
С
С
С
Кислота соляная
П р и м е ч а н и е . С — стойкие; ПС — пониженной стойкости; НС — нестойкие; прочерк — данных нет.
—
Кислота азотная
Гетинакс
Материал
НС
—
С
С
—
—
—
—
—
Фенол
128
С
ПС
НС
НС
С
—
С
С
С
—
Кислота фтористоводородная
Окончание табл. 36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нитрид кремния Si3N4 не имеет четкой температуры плавления,
при температуре 1600 °С соединение разлагается на расплав Si и N2.
Обладает значительно большей, чем у многих металлов, устойчивостью к окислению, особенно при высоких температурах. Имеет малую плотность и коэффициент линейного расширения, высокие
значения характеристик упругости, твердости и жаростойкости
(табл. 37). Материалы на основе нитрида кремния перспективны для
конструкций, эксплуатирующихся в условиях высоких температур,
а также для изготовления элементов горячих трактов машин. Нитрид кремния существует в двух модификациях — низкотемпературной (α-Si3N4) и высокотемпературной (β-Si3N4).
Карбид кремния SiC стабилен (в α-фазе) при высоких температурах, обладает высокой твердостью и коррозионной стойкостью.
Оксид алюминия Al2O3 имеет температуру плавления
2030…2060 °С. Обладает высокой твердостью и коррозионной
стойкостью.
Диоксид циркония ZrO2 — наиболее тугоплавкий оксид (температура плавления 2700 °С). Для него характерны меньший, чем у
прочих оксидных материалов, модуль упругости, высокие сопротивления разрыву и тепловому удару, химическая стабильность
при высоких температурах.
Кроме указанных в качестве КК применяют и другие соединения: муллит 3Al2O3⋅2SiО2 (температура плавления 1910 °С); титанат алюминия Al2TiO5 (температура плавления 1860 °С); алюмомагнезиальная шпинель MgAl2O4 (температура плавления около
2100 °С); сиалоны — сложные фазы типа (Si, Al)⋅(O, N)4 и т. д.
Прочность керамики, как хрупкого материала, обычно определяют по вязкости разрушения (критерию трещиностойкости), под
которой понимают значение критического коэффициента интенсивности напряжений К Ic у вершины трещины при разрушении
нормальным отрывом в условиях плоской деформации:
К Ic = σ c πlc ,
где σс — критическое напряжение; lс — критическая длина трещины. Сравнительные значения вязкости разрушения некоторых материалов представлены в табл. 38 [6].
129
130
0,17
1600 –
1900
0,19
1600 –
1900
2200
0,049
0,07
—
3,28
3,3
1500
5,0
5,3
1400
3,18
2
310
ГП
3,04
0
230
СБД
РС
1000
1500
0,17
1600 –
1900
0,048
3,0
3,6
2,76
15
160
Нитрид кремния
—
—
1650
2700
2700
1650
0,19
0,12
4,5
4,4
3,21
0
440
ГП
0,20
0,14
4,3
2,4
3,10
4
303
СБД
—
1650
2700
0,17
0,16
4,3
4,6
3,10
10
410
РС
Карбид кремния
1600
1500
2030
0,20
0,07
9,1
1,75
3,98
0
360
Оксид
алюминия
0,006
10,9
1,1
5,4
0
160
С
0,007
10,5
8,4
5,91
0
210
ЧС
—
1500
—
2300
1500
1500
—
0,16
0,12
2600 – 2600 – 2600 –
2700
2700 2700
—
3,0
2,2
3,14
2
230
РС
Диоксид циркония
130
П р и м е ч а н и е . СБД — спеченный без давления; ГП — горячепрессованный; РС — реакционно-спеченный; С —
стабилизированный; ЧС — частично стабилизированный.
Максимальная температура
использования, °С
Твердость, кг/мм2
Температура плавления, °С
МН/м1,5
Коэффициент термического
расширения, ×10–6, 1/°С
Теплопроводность,
кал/(с⋅см⋅°С)
Теплоемкость, кал/(г⋅°С)
Плотность, г/см
Открытая пористость, %
Модуль Юнга, ГПа
Вязкость разрушения К I c ,
3
Свойство
Свойства конструкционной керамики
Таблица 37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 38
Вязкость разрушения некоторых материалов
Материал
К I c , МПа⋅м0,5
Чугун
Алюминиевые сплавы
Жаропрочные сплавы (суперсплавы)
Si3N4
SiC
Сиалон
ZrO2
40
25
25 – 90
4–6
3–5
6–7
8 – 12
Хрупкость является основным ограничением, препятствующим
повсеместному использованию керамики. Керамика не обладает
способностью к перераспределению высоких внутренних напряжений за счет пластических деформаций. Не полностью решены
технологические проблемы получения керамических деталей с
воспроизводимыми и одинаковыми свойствами. Однако уже в настоящее время керамические материалы имеют широкое применение в машиностроении (табл. 39).
Использование керамических материалов будет доминировать
в области высоких температур.
Таблица 39
Примерное назначение конструкционной керамики
Материал
Нитрид
кремния;
карбид
кремния
Назначение
Детали наиболее теплонагруженных элементов ГТД.
Турбонагнетатели, кулачки распределительных валов,
клапаны. Детали статора ГТУ (сопловые лопатки, вставки надроторных уплотнений, элементы облицовки
и детали жаровых труб камер сгорания, кольца и т. п).
Теплообменники с температурой отходящих газов
до 1400 °С при высоком содержании в них серы
и в условиях эрозионного воздействия твердых частиц,
содержащихся в продуктах сгорания. Подшипники,
используемые при высоких температурах и в коррозионных средах. Сопла горелок, рекуператоры
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 39
Материал
Назначение
Нитрид
кремния;
карбид
кремния
Оксид
алюминия
Исследуются возможности изготовления деталей и сборочных единиц роторной группы ГТУ: рабочих лопаток,
дисков, монолитных рабочих колес
Диоксид
циркония
Титанат
алюминия
Рабочие органы помольных агрегатов, режущие части инструментов для обработки металла, подшипники, механические уплотнения, сопла, детали химического машиностроения, зубчатые колеса. Подложки интегральных схем,
электрические переключатели. Детали теплообменников
Детали горячего тракта ГТД, сложные термобарьерные
покрытия рабочих лопаток высокотемпературных ГТУ
Патрубки выхлопа, детали статорной группы повышенной термостойкости
2.5. Композиционные материалы
Композиционный материал, или композит, представляет собой
комбинацию из разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой в единое целое за счет сил адгезионного взаимодействия на границе их раздела. Разрабатываются
композиционные материалы на основе принципа синергизма, обеспечивающего согласованное действие компонентов системы, направленное на повышение положительных и подавление отрицательных свойств создаваемого материала. К композитам относят
только материалы, искусственно изготовленные человеком, например железобетон, стеклотекстолит, резинокордная ткань. Во всех
случаях это система из разнородных материалов (наполнитель, матрица), каждый из которых придает готовому изделию свои особые
свойства. Ни резина, ни кордная нить автомобильной шины или
транспортерной ленты не могут выполнять свои функции независимо друг от друга, но их совместная работа придает композиции желаемые свойства и поэтому должна рассматриваться как единый
материал. В зависимости от типа матрицы все многообразие композитов можно разделить на три группы: полимерные (ПКМ), металлические (МКМ) и керамические (ККМ).
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Композиционные материалы обладают комплексом свойств,
который недостижим в традиционных материалах. Они отличаются высокой удельной прочностью и жесткостью, сопротивлением
усталости, химической и коррозионной стойкостью, низкой теплопроводностью. Наиболее прочными и хорошо освоенными являются композиционные материалы, армированные непрерывными
волокнами: стеклянными, углеродными, борными, металлическими. Такие материалы называют волокнистыми композитами.
Волокнистые композиты обладают высокой ударной вязкостью
разрушения и анизотропией механических и теплофизических
свойств. В волокнистых композитах трещина, возникнув в матричном материале, тормозится на границе раздела «волокно —
матрица», теряя энергию на разрушение прочных волокон. Этим
объясняется высокая трещиностойкость и безосколочное разрушение волокнистых композитов по сравнению с высокопрочными
металлами и керамиками.
Свойства композита сильно зависят от схемы армирования или
направления укладки волокон. Прочность композита в направлении волокон может более чем в 20 раз превышать прочность матриц, прочность поперек волокна или прочность между слоями.
Возможно множество вариантов разрушения: от растяжения, сжатия, сдвига в плоскости листа, межслоевого сдвига, плоского растяжения и от их сочетаний. Помимо этого композиционные материалы неоднородны. Изделие имеет разный состав в различных
направлениях в пределах слоя или по толщине.
Большую группу ПКМ составляют стеклопластики (уже частично рассматривавшиеся в разд. 2.4). Стеклопластики обладают
высокой удельной прочностью, при равном объеме имеют массу,
на 35…40 % меньшую, чем масса алюминия. Стеклопластики химически и коррозионно-стойки и имеют низкую теплопроводность. Так, срок службы трубопроводов из эпоксидного стеклопластика для транспортирования агрессивных жидкостей в
химической и нефтегазовой промышленности, коммунальном хозяйстве увеличивается в 5 – 10 раз по сравнению с трубопроводами
из черных металлов.
В производстве ПКМ используют матрицы на основе эпоксидных и полиамидных связующих. Свойства некоторых ПКМ представлены в табл. 40.
133
134
—
Эпоксифенольное
—
Эпоксидное
»
Полиамидное
Эпоксидное
»
»
КМУ-1в
КМУ-3л
КМУ-3
КМБ-1м
КМБ-3
КМБ-2к
Органопластик
Стеклопластик
Стеклопластик
134
То же
Эпокситрифенольное
КМУ-1у
То же
—
1,83
1,38
Арамидное волокно
(Кевлар-49)
Стеклянное волокно
2,0
2,0
2,0
1,45
1,4
1,55
1,5
1,4
1,4
γ,
т/м3
То же
Нить КБСН-4
Волокно борное (1-й сорт)
Боропластики
Жгут ВМН-4
Лента ЛУ-2
Жгут ВМН-4 вискеризованный
Жгут ВМН-4
»
КМУ-2у
Лента ЛУ-2
Углепластики
Наполнитель
Полиамидное
Связующее
КМУ-1л
Марка
материала
1652
1250
1400
1000
1200
1200
1000
650
1000
1020
900
650
σв,
МПа
Свойства некоторых одноосно-армированных ПКМ
1150
770
280
1250
1500
1160
450
400
540
400
400
300
σсж,
МПа
73
45
77
250
255
270
180
120
180
180
140
120
Е, ГПа
—
—
—
400
500
400
400
300
500
500
400
300
σ–1,
МПа
Таблица 40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дальнейшее совершенствование свойств стеклопластиков возможно за счет разработки новых видов термореактивных полимеров, методов плетения и ориентации наполнителя.
В качестве металлических матриц композиционных материалов высокой удельной прочности используют легкие металлы
(алюминий, магний, титан) и их сплавы, применяя различные
твердофазные и жидкофазные методы соединения их с упрочнителем (горячее прессование, прокатка, сварка взрывом, непрерывное
литье, вакуумное всасывание, плазменное напыление и др.). Технологически рациональным упрочнителем металлических матриц
являются проволоки из коррозионно-стойких сталей и бериллиевая проволока, высокая прочность обеспечивается применением
монокристаллических волокон («усов»). Свойства некоторых
МКМ представлены в табл. 41.
В композиционных материалах на металлической матрице сочетаются достоинства конструкционных металлов с достоинствами композитов вообще. Для МКМ характерны высокие значения
прочности, модуля упругости, ударной вязкости, сопротивления
усталости при сохранении стабильных характеристик в большом
интервале температур. Наиболее удачная металлическая композиция — боралюминий. Удельная прочность и модуль упругости у
боралюминия в 2 – 3 раза выше, чем у стали, что и обеспечило ему
широкое применение в конструкциях самолетов и космических
аппаратов.
Отличительными особенностями металлокерамических конструкционных материалов являются также малая плотность, высокая
огнеупорность, жаростойкость. Карбидные и нитридные керамики
в целом малотехнологичны, поэтому для повышения технологических свойств в карбиды вольфрама, хрома, титана добавляют в
качестве пластичных связок от 6 до 30 % кобальта, никеля, вольфрама, хрома. По мере увеличения содержания пластичной связки
ударная вязкость материала возрастает при некотором снижении
износостойкости. Указанные материалы обладают низким коэффициентом трения, могут работать при повышенных температурах
при отсутствии смазки, стойки к абразивному и эрозионному изнашиванию. Совокупность эксплуатационных и технологических
свойств композиционных материалов определила их назначение
(табл. 42).
135
АД33
АД1
АД1
АД1
Mg
ВКА-1
ВКУ-1
КАС-1
КАС-1
ВКМ-1
136
АД 1
ВКА-1
2,40
4,62
4,84
2,15
Сталь ВНС-9,
σв = 3600 МПа, Vв = 35 %
Сталь ВНС-9,
σв = 4000…4200 МПа,
Vв = 40 %
Борное,
Vв=50 %
2,65
Борное,
σв = 3500 МПа, Vв = 50 %
Углеродное
2,65
γ, т/м3
Борное,
σв = 2500 МПа, Vв=50 %
Волокно
П р и м е ч а н и е . Vв — объемная доля волокон.
Матрица
Тип
Материал
1000 – 1200
1600 – 1750
1300 – 1450
1150 – 1200
1500
1000 – 1200
σв, МПа
Свойства одноосно-армированных МКМ
220
120
110
270
230
250 – 240
Е, МПа
600
—
300
450
1000
600
σ–1, МПа
Таблица 41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 42
Примерное назначение некоторых групп
композиционных материалов
Группа
материалов
Полимерные
композиционные
материалы
Металлические
композиционные
материалы
Керамические
композиционные
материалы
Назначение
Силовые и несиловые (ограничения, щитки, кожухи и др.) детали летательных аппаратов. Камеры промышленных холодильников, кондиционеров, кузова автомобилей. Умеренно нагруженные
зубчатые колеса, эксплуатирующиеся при температуре от –40 до +80 °С и кратковременно до
+120 °С, в том числе в химически активных и
влажных средах. Детали и арматура трубопроводных систем в нефтегазовой и химической отраслях промышленности, системах водоснабжения и коммунального хозяйства. Спортинвентарь
и предметы домашнего обихода. Детали химического машиностроения и атомной энергетики
Отсеки фюзеляжа, панели планера, стрингеры,
лонжероны, шасси самолетов, стержни и рамы
космических аппаратов
Режущие части инструментов. Вкладыши подшипников, эксплуатирующиеся при высоких температурах и интенсивном изнашивании. Срабатываемые уплотнительные элементы воздушного
и газового трактов ГТУ
Применение композитов различного назначения в конструкциях самолетов позволило снизить их массу на 20…30 %. В дальнейшем ожидается, что количество деталей из композитов на дозвуковых самолетах будет составлять 32 %, а на сверхзвуковых —
50 %, что приведет к снижению массы их конструкции на 40 и
65 % соответственно.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ ПРИ ВЫБОРЕ
МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Спроектированная и изготовленная машина должна:
а) полностью отвечать техническим условиям и характеристикам, заявленным в техническом задании на ее проектирование;
б) обеспечивать заданные показатели эксплуатационного качества и прежде всего показатели надежности в заданном диапазоне изменения условий эксплуатации;
в) быть конкурентоспособной в своем сегменте рынка.
Качество машины как изделия машиностроительного производства обеспечивают на всех этапах жизненного цикла изделия
(ЖЦИ, рис. 2). Требования к свойствам материалов деталей машины определяют на этапе разработки ее конструкции и обеспечивают на этапе материально-технического снабжения.
Для отдельных этапов и ЖЦИ в целом определены количественные характеристики, применимые как критерии для сравнения
изделий одного и того же функционального назначения.
Т
для изделий огЭффективность ЖЦИ по длительности ЕЖЦИ
раниченного ресурса, выпускаемых в условиях единичного и серийного производства, в особенности сложных и наукоемких,
можно оценить по формуле
Тз
Т
ЕЖЦИ
=
.
Т ЖЦИ(1)
Здесь Тз — заданный ресурс машины; ТЖЦИ(1) — длительность
ЖЦИ, приведенная к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции:
Т ЖЦИ(1) =
138
Т М + Т РП + Т МТО + Т ПП
Ви
+ Т П + Т КИ + Т УХ + Т РР + Т МЭ + Т ТО + Т У ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Т* — длительность этапа ЖЦИ в соответствии с индексацией
рис. 2; Ви — объем выпуска изделий. В общем случае
Т
0 < ЕЖЦИ
< 1.
Более предпочтительному изделию соответствует большее
Т
.
значение ЕЖЦИ
Рис. 2. Схема взаимодействия основных этапов ЖЦИ («петля качества»)
Затратными критериями ЖЦИ необходимо пользоваться весьма осторожно. Так, суммарные затраты ЖЦИ, часто рекомендуемые при сравнении вариантов изделий в качестве эффективного
критерия, на самом деле таковым не являются. Указанные затраты
можно представить в виде суммы затрат на изготовление изделия
и затрат на его эксплуатацию. Затраты на изготовление целесообразно сокращать (минимизировать). Однозначно задать направление желаемого изменения затрат на эксплуатацию невозможно, так
как для изделий с неограничиваемым ресурсом целесообразно
максимально увеличивать длительность этапа эксплуатации ЖЦИ.
Это делает неопределенным желаемое направление изменения
значений суммарных затрат ЖЦИ.
Суммарные затраты ЖЦИ, приведенные к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции, можно определить по
формуле
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗЖЦИ(1) =
сМТ М + сРПТ РП + сМТОТ МТО + сППТ ПП
+ Зрес +
Ви
+ сПТ П + сКИТ КИ + сУХТ УХ + сРРТ РР + сМЭТ ТЭ + сТОТ ТО + сУТ У ,
где с*, Т* — удельные затраты и длительность каждого этапа ЖЦИ
(в соответствии с индексацией рис. 2); Зрес — затраты на приобретение материальных ресурсов, необходимых для выпуска единицы
продукции.
При сравнении вариантов изделий одного и того же функционального назначения и соблюдении других известных условий
сравнимости информативным является критерий удельных затрат
по всем этапам ЖЦИ:
сЖЦИ =
сМ + сРП + сМТО + сПП
+ сП + сКИ + сУХ + сРР + сМЭ + сТО + сУ .
Ви
Более совершенному изделию соответствует меньшее значение сЖЦИ.
Любое машиностроительное изделие создают и изготовляют в
целях получения полезного эффекта при его эксплуатации. В зависимости от назначения изделия (машины) полезный эффект QЖЦИ
за ее жизненный цикл может быть выражен в различных единицах
и определен в результате статистической обработки данных об
эксплуатации машины. При сравнении изделий эффективны критерии вида «полезный эффект/затраты»:
Ки =
QЖЦИ
ЗЖЦИ(1)
=
QЖЦИ
Зи + Зэ
,
где Зи — затраты на изготовление изделия (сумма затрат на соответствующих этапах ЖЦИ); Зэ — затраты на эксплуатацию изделия.
Более совершенному и конкурентоспособному изделию соответствует большее значение Ки. На рис. 3 показано изменение значений Ки в зависимости от изменения значений переменных в правой части последней формулы. Кривые 1 и 2 соответствуют
2
2
различным значениям Q1ЖЦИ и QЖЦИ
( Q1ЖЦИ < QЖЦИ
). Изделия И1
и И2, соответствующие отмеченным на графиках точкам, для которых К1и = К и2 , следует считать изделиями одного уровня конкурен140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тоспособности несмотря на различие в полезном эффекте и суммарных затратах ЖЦИ. Изделие И1 более предпочтительно, чем
И3, так как при равенстве полезных эффектов З1ЖЦИ(1) <
< З3ЖЦИ(1) . Изделие И2 предпочтительнее И3 по существенному
2
3
> QЖЦИ
) при равенстве
различию полезных эффектов ( QЖЦИ
суммарных затрат ЖЦИ.
Рис. 3. Зависимости критерия «полезный эффект/затраты»
Ки от соотношения полезного эффекта QЖЦИ
и суммарных затрат ЗЖЦИ(1)
Более точно конкурентоспособность изделия может быть оценена по формуле
Кс =
QЖЦИ
Ц и + Зэ
br ,
где Ци — цена изделия; br — коэффициент бренда, учитывающий
популярность на рынке торговой марки производителя изделия,
br = 0,5…1,5. Из приведенного выражения можно сделать крайне
важный вывод, часто игнорируемый отечественными производителями машин: конкурентоспособность изделия при повышении
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цены может быть обеспечена лишь при соответствующем уменьшении эксплуатационных затрат или увеличении полезного эффекта за время ЖЦИ. Данное утверждение является важным
ограничением, обязательно учитываемым при выборе конструкционных материалов для деталей машины.
При сравнении вариантов А и В конструкций изделия более
технологичному варианту (например, А) отвечает система условий
А
B
⎧сЖЦИ
< cЖЦИ
;
⎪
⎪ А
АB
⎨Т э ≥ Т э ;
⎪ А
B
Q
≥ QЖЦИ
.
⎪
⎩ ЖЦИ
Данную систему можно считать формальным представлением
тривиальных условий сравнения технологичности конструкций
изделий. При нарушении хотя бы одного из приведенных неравенств результат сравнения технологичности конструкций уже не
является очевидным и тривиальным, а при определении варианта
более технологичной конструкции изделия необходимо использование аппарата многокритериального выбора [7].
Выбор материалов деталей — важнейшая и ответственнейшая
прерогатива конструктора, в значительной мере определяющая
возможность (или невозможность) достижения желаемых значений основных критериев ЖЦИ [8].
Выбирая материал, конструктор должен помнить следующее:
а) материал должен в полной мере обладать необходимым
комплексом эксплуатационных свойств для заданных условий
эксплуатации детали, которые могут сильно зависеть от режимов
работы машины. Указанные свойства должны быть стабильными
во времени;
б) совокупность выбранных материалов деталей должна обеспечивать максимальную конкурентоспособность изделия с позиций всего ЖЦИ;
в) материал определяет способ изготовления исходной заготовки и во многом — технологию изготовления детали, он является носителем наследуемых свойств предмета производства, которые могут быть и вредными с точки зрения эксплуатации детали и
машины в целом;
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
г) материал определяет массу изделия, уменьшения которой
конструктор должен добиваться, а в некоторых случаях критерий
минимальной массы изделия является одним из основных при
оценивании конструкции;
д) технологические свойства материала должны обеспечивать
минимальные удельные затраты на производство, эксплуатацию и
утилизацию изделия;
е) материал не должен быть дефицитным, его цена должна
быть приемлемой для производителя.
Конструктору следует обязательно учитывать предполагаемый объем выпуска изделия и необходимое для этого количество материала соответствующей марки, так как при приобретении малых количеств материала многие их производители
требуют соответствующих доплат «за малость количества», составляющих 10…30 % от номинальной цены заказанного количества материала.
Выбор материалов деталей машин выполняют на начальных
этапах их жизненного цикла, поэтому он характеризуется высокой
неопределенностью условий.
При традиционной методологии проектирования машин основными исходными данными для выбора материалов их деталей
являются:
а) назначение, условия эксплуатации машины, основные технические параметры и заданный (расчетный) ресурс эксплуатации;
б) конструкторская документация уровня технического проекта машины в целом и соответствующих сборочных единиц;
в) результаты расчетов параметров рабочего процесса и основных прочностных расчетов, данные об ожидаемом распределении
напряжений в основных (наиболее нагруженных) элементах конструкции с учетом принятых коэффициентов запаса.
Конструктор должен определить:
а) какими основными эксплуатационными свойствами должен
обладать материал;
б) какими характеристиками данные свойства описываются и
как они влияют на эксплуатационные свойства деталей машин и
их соединений (табл. 43);
в) каковы желаемые значения указанных характеристик и предельные диапазоны их изменения.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 43
Влияние характеристик материалов на эксплуатационные свойства
деталей машин и их соединений
Эксплуатационные свойства
Контактная жесткость:
первое нагружение
повторное нагружение
Коэффициент трения
Износостойкость
Герметичность соединений
Прочность посадок
Прочность деталей
Усталостная прочность
Коррозионная стойкость
Поверхностная теплопроводность
Термостойкость
Характеристики материалов
σв
σт
Е
НВ
0
0
+
+
0
0
+*
+
0
–
+
+
+
+
+
–
–
+*
+*
0
–
+
+
–
+
+
–*
+*
+
+
0
0
+
+
–
+
+
–
–
–
–*
0
0
+
П р и м е ч а н и е . Обозначения «+» и «–» показывают, что увеличение или
уменьшение этих характеристик вызывает соответственно улучшение или ухудшение данного эксплуатационного свойства; «*» — характеристика оказывает
основное влияние на данное эксплуатационное свойство; «0» — характеристика
не влияет на данное эксплуатационное свойство.
Принятие решений при выборе материалов деталей машин в
наиболее общем виде выполняют в соответствии с алгоритмом,
представленным на рис. 4.
При поиске материалов с заданными эксплуатационными
свойствами используют данные об их назначении, информацию,
приведенную в специализированной справочной литературе [2 – 6]
и др., а также полученную из соответствующих банков и баз данных. Основной проблемой организации поиска материалов является обеспечение максимальной доступности к разнообразным источникам информации. Поиск осуществляют одновременно с
селекцией материалов, альтернативных по эксплуатационным
свойствам, и выделением их в соответствующее подмножество
(блок 3 на рис. 4).
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При выборе необходимых марок сталей может быть успешно
применен программный продукт RusSteel, распространяемый ООО
«Квантор-Софт Металл» (г. Москва), позволяющий получать подробную информацию о любой отечественной стали (более 5000
марок) и жаропрочных сплавах: наименование (марка) стали; ее
химический состав; значения характеристик свойств стали, регламентируемых стандартами; список стандартов, в которых содержится информация о химическом составе стали и (или) характеристиках выпускаемой из нее продукции; информация о других
обозначениях стали; области применения стали; обобщенный список аналогов стали в других странах.
Программа RusSteel обеспечивает:
а) поиск информации о химическом составе, механических
свойствах и зарубежных аналогах любой отечественной стали;
б) поиск данных о стали при ее известном (или даже заданном
приближении) химическом составе;
в) поиск необходимой стали по заданному уровню механических (и других эксплуатационных) свойств.
Экранные окна, соответствующие различным этапам поиска и
отображения информации при работе с программой RusSteel, показаны на рис. 5, 6.
Поиск по свойствам облегчает работу конструкторов по подбору стали с заданным набором свойств. Возможность одновременного поиска по составу и свойствам позволяет сузить диапазон
выбора до определенных, необходимых в данный момент групп
сталей (конструкционных, легированных и т. п.). Это повышает
надежность и достоверность поиска.
При поиске стали по химическому составу практически любая разумная комбинация элементов и их значений может привести к успешному результату. При поиске сталей по свойствам это не так. Выбранные в качестве ключа поиска комбинации свойств и значения их
характеристик не должны противоречить друг другу. Например, при
поиске стали с пределом прочности более 1200 МПа заданное относительное удлинение не должно превышать 25 %. Однако и в этом
случае поиск может быть успешным, хотя нужный предел прочности
будет достигаться для одной и той же марки стали при одних условиях (например, для нагартованных образцов), а относительное удлинение — при других (например, для отожженных образцов).
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Алгоритм принятия решений при выборе
материалов деталей машин (начало)
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Алгоритм принятия решений при выборе
материалов деталей машин (окончание)
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Поиск по составу и свойствам — исходные данные
Рис. 6. Поиск по составу и свойствам — результат поиска
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для обеспечения эффективности поиска его нужно вести поэтапно, постепенно расширяя круг включаемых в него элементов
или свойств. Целесообразно вначале провести поиск по тремчетырем основным элементам и (или) одному-двум свойствам. Затем, если поиск будет успешным, можно расширить перечень элементов или свойств, образующих ключ поиска, и так до достижения приемлемых результатов. При этом всегда возможен возврат к
предыдущему этапу и корректировка ключа поиска.
Рассмотренный программный продукт позволяет вести поиск
лишь в отдельных классах материалов, в то время как подмножество материалов, альтернативных по свойствам, целесообразно
формировать из материалов разных классов (чугуны, стали, цветные металлы и сплавы и т. д.).
Выбор затруднен, если конструктору не удалось выявить характеристики желаемых эксплуатационных свойств материалов
или определить их численные значения (например, для эксплуатационного свойства «коррозионная стойкость»). В этих случаях используют неформальные правила селекции материалов, которые
основаны на предпочтениях, полученных в результате обобщения
накопленного опыта эксплуатации машин. Исключительно важно,
чтобы при выборе материала по эксплуатационным свойствам
учитывались как ближняя, так и дальняя внешние для него среды
эксплуатации. Так, коррозионные среды, которые действуют на
конструкцию самолета, можно разделить на две группы. Первая —
климатические среды, воздействующие извне; вторая — среды,
образующиеся в процессе эксплуатации самолета и воздействующие на внутреннюю часть конструкции, специфичные для разных
агрегатов (герметичные отсеки фюзеляжа, места выхода выхлопных газов, топливные агрегаты и др.).
Первая группа является весьма разнообразной и часто неопределенной по своему составу, интенсивности коррозионных поражений
и т. п. Моделирование ее при испытаниях обычно стандартизируют.
Составы же сред второй группы, как правило, точно известны и поэтому при соответствующих испытаниях могут быть четко воспроизведены.
При выборе материалов по критерию коррозионной стойкости
следует рассматривать комплекс материалов, использующихся в
машине, как единое целое, а не каждый материал в отдельности.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Более стойкие материалы нужно применять для изготовления деталей наиболее ответственного назначения и деталей, изготовление которых требует весьма сложных и дорогих технологических
операций. Может потребоваться компромисс и отказ от выгодных
механических свойств для удовлетворения требований коррозионной стойкости и наоборот.
Когда скорость коррозии очень мала или очень велика, выбор
материала прост. При умеренной скорости коррозии необходим
тщательный всесторонний анализ.
В сухих средах и в жидкостях с тщательно контролируемым составом можно использовать многие материалы, часто без специальной защиты. В атмосферных условиях, даже в загрязненных атмосферах, можно не защищать такие материалы, как коррозионностойкие стали и алюминиевые сплавы. Долговечны также медь и
свинец. В более агрессивной влажной среде, например в морском
воздухе, экономически целесообразнее употреблять относительно
дешевые конструкционные материалы (низкоуглеродистые стали) с
применением дополнительной защиты. Для самых агрессивных условий в большинстве предпочтительнее коррозионно-стойкие материалы, нежели более дешевые материалы с дорогостоящей защитой.
Не следует выбирать более дорогие, чем это необходимо,
материалы, если только это экономически не оправдано и не продиктовано требованиями безопасности персонала, сохранности
изделия или какими-либо другими важными причинами. Употребление абсолютно стойких к коррозии материалов не всегда является правильным: для проектируемого объекта следует найти
оптимальное соотношение между капитальными затратами и эксплуатационными расходами в течение запланированного срока
службы (этапа эксплуатации ЖЦИ).
Коррозионная стойкость металлов и сплавов в различных средах представлена в табл. 44.
Следующие сочетания металлов и коррозионно-агрессивных
сред можно считать нормальным выбором [9]:
а) алюминий — неагрессивные среды;
б) хромсодержащие сплавы — окислительные растворы;
в) медь и ее сплавы — восстановительные и неокислительные
среды;
г) свинец — разбавленная серная кислота;
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
д) монель — плавиковая кислота;
е) никель и его сплавы — щелочные, восстановительные и неокислительные среды;
ж) нержавеющие стали — азотная кислота;
з) сталь — концентрированная серная кислота;
и) олово — дистиллированная вода;
к) титан — горячие концентрированные окислительные растворы.
Сам по себе состав сплава не обеспечивает качества изделия.
Первостепенную важность при выборе материала конструкции
имеет оценка стойкости к коррозии в конкретной среде, влияние
продуктов коррозии на объект или среду, склонность к специфическому виду коррозии и обрастанию, тенденция к коррозионным
разрушениям в результате применения при изготовлении и сборке
таких операций, как сварка, штамповка, механическая обработка,
термообработка и т. п.
Следует уделять достаточное внимание операциям специальной обработки, которые обеспечивают повышение коррозионной
стойкости, например специальным методам сварки, ослабления
внутренних напряжений, дробеструйному наклепу, металлизации,
герметизации сварных швов и т. п. Это также относится ко всем
операциям изготовления и сборки, которые усиливают склонность
материала к коррозионному разрушению.
Рекомендуется использовать сплав или вид термообработки,
при которых объект не будет склонен к опасной коррозии в условиях общего или локального воздействия среды и которые отвечают требованиям прочности и технологичности, необходимым
для функционирования.
Иногда лучше применять несколько менее прочный, но более
стойкий к коррозии сплав, чем тот, который не подвергается термообработке, сообщающей такую стойкость к специфическому виду
коррозии. Если термообработка после изготовления невозможна, то
материалы и выбранная технология изготовления должны обеспечивать оптимальную коррозионную стойкость непосредственно после изготовления. Следует вообще избегать применения материалов, склонных к коррозионному растрескиванию, в средах,
способствующих развитию этого вида коррозионного разрушения,
поскольку снятие напряжений не всегда является надежным средством предотвращения коррозионного растрескивания.
151
152
Алюминий
Сплав алюминиево-магниевый
Латунь
Медь
Сплав медноникелевый
(нейзильбер)
Никель
Нихром
Олово
Свинец
Серебро
Металл, сплав
ВС
—
—
НС
ПС
ПС
СС
С
СС
МС
НС
НС
—
ПС
С
ПС
—
—
Кислота азотная
НС
Аммиак
МС
Анилин
—
НС
—
С
—
—
НС
НС
СС
С
Ацетилен
СС
С
СС
С
НС
—
—
НС
—
СС
Перекись водорода
ПС
С
—
—
—
—
—
НС
С
СС
Магний хлористый
ПС
ПС
ПС
—
С
С
ВС
НС
ВС
ПС
Вода морская
С
СС
С
С
—
ВС
С
С
С
НС
Кислота серная
ПС
ПС
—
С
ПС
НС
ПС
ПС
—
ПС
Ангидрид сернистый
—
—
СС
СС
—
—
—
СС
—
СС
Сероводород
ПС
С
С
С
ПС
—
МС
МС
—
СС
ПС
ПС
ПС
МС
ПС
ПС
—
МС
—
НС
Кислота соляная
Коррозионная стойкость металлов и сплавов в различных средах
НС
—
—
—
С
—
—
НС
—
СС
Кислота уксусная
—
С
ПС
ПС
ВС
С
—
ПС
—
С
Кислота
фтористо-водородная
—
ПС
—
ПС
С
—
—
—
—
НС
ПС
С
НС
С
С
С
—
НС
—
НС
Хлор
152
Окись углерода
Таблица 44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
—
С
С
—
С
С
С
НС
С
С
—
НС
С
НС
Кислота азотная
С
—
Аммиак
НС
НС
Анилин
—
—
—
—
С
—
—
—
—
Ацетилен
ПС
—
—
—
С
—
—
—
—
Перекись водорода
СС
НС
С
С
С
СС
—
—
—
Магний хлористый
ВС
С
С
НС
С
МС
С
—
—
Вода морская
С
С
С
—
ВС
ВС
—
С
С
Кислота серная
—
С
С
МС
НС
НС
НС
МС
НС
Ангидрид сернистый
НС
—
С
МС
С
НС
—
НС
НС
Сероводород
С
—
—
—
С
С
—
С
—
Кислота соляная
НС
НС
МС
НС
ПС
НС
НС
НС
—
Окись углерода
СС
—
С
—
СС
СС
—
—
—
Кислота уксусная
—
С
С
С
ПС
ПС
ПС
ПС
—
—
С
НС
НС
НС
НС
—
—
—
Кислота
фтористо-водородная
НС
НС
НС
НС
НС
НС
—
—
—
153
153
П р и м е ч а н и е . СС — совершенно стойкие; ВС — весьма стойкие; С — стойкие; ПС — пониженной стойкости;
МС — малостойкие; НС — нестойкие; прочерк — данных нет.
Сталь углеродистая:
Ст1
Ст3
Сталь
марганцовистая
Сталь хромистая
Сталь
хромоникелевая
Цинк
Бронза
Титан
Чугун
Металл, сплав
Хлор
Окончание табл. 44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Когда ожидается коррозионное или эрозионное поражение изделия, следует предусматривать увеличение толщины стенки конструкции или трубопровода сверх размера, определяемого другими функциональными требованиями проектируемого объекта.
Этот припуск рассчитывают в соответствии с ожидаемым сроком
службы аппарата или трубопровода.
Припуск должен быть таким, чтобы при различных видах эрозии и коррозии (включая питтинг) толщина стенки конструкции
или трубопровода не становилась меньше толщины, необходимой
для обеспечения механической прочности изделия. Когда такое
утолщение недопустимо или требуется минимальная масса изделия, употребляют соответственно более стойкий сплав или более
эффективную защиту.
В общем случае (и в соответствии с условиями механической
прочности) толщину стенки принимают равной удвоенной толщине, обеспечивающей желаемый срок службы.
При конструировании не подлежащих ремонту узлов не следует сочетать материалы с кратковременным и длительным сроками
службы. Для передающих теплоту узлов нельзя применять материалы, на которых при работе образуется толстая окалина.
Когда материалы подвергаются воздействию ядерного излучения, необходимо учитывать, какой эффект будет оказывать излучение — благоприятный или вредный; следует иметь в виду, что
умеренное облучение может улучшать характеристики металла.
Оценке на пригодность должны подвергаться не только конструкционные материалы сами по себе; одновременно нужно учитывать также допустимость основных видов их обработки (например,
хроматной пассивации, кадмирования и т. п.).
Предпочтительно применять неметаллические материалы, отвечающие следующим требованиям: низкому влагопоглощению,
стойкости к грибкам и микроорганизмам, стойкости в заданном интервале температур, совместимости с другими материалами, стойкости к огню и электрическим разрядам, неподверженности газовыделению и способности противостоять выветриванию.
В опасных точках нельзя применять возгораемые материалы.
Выделяемая при их горении теплота может повредить коррозионной стойкости конструкционных материалов. Не следует употреблять материалы, которые при воздействии открытого огня или вы154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сокой температуры выделяют в опасных количествах ядовитые и
коррозионно-активные газы.
На подверженных коррозионному воздействию участках нельзя применять хрупкие и ломкие материалы, если изделия из них,
согласно проекту, не имеют специальной защиты от разрушения.
Не следует применять для изготовления сосудов материалы,
продукты коррозии которых могут оказать вредное влияние на качество содержимого, в особенности когда стоимость испорченного
продукта превышает стоимость контейнера.
При поставке оборудования необходимо требовать от поставщиков точного и детального описания материалов, использованных при его изготовлении.
Для электрического оборудования следует избегать применения гигроскопических материалов и осушающих средств; если же
применение последних необходимо, они не должны контактировать с незащищенными металлическими частями.
Крепежные изделия нужно изготовлять из тщательно выбранного коррозионно-стойкого материала либо из материала, более
надежно защищенного, чем соединяемые детали.
Выбранные материалы должны отвечать требуемым свойствам
и быть либо стойкими к разрушению, либо защищенными от коррозии подходящими покрытиями, в особенности в условиях, при
которых коррозия может вызвать снижение проводимости, шум,
короткие замыкания или поломки электропроводящих элементов,
что приводит к нарушению эксплуатации.
Используемые изоляционные материалы не должны быть
чувствительными к влажности.
Коррозионно-стойкие стали или дисперсионно-твердеющие
нержавеющие стали следует пассивировать.
Для предотвращения электрического контакта между разнородными металлами, находящимися в физическом контакте, применяют разделительную изоляцию.
Диэлектрические материалы являются хорошими электрическими изоляторами. Выбор материалов по их электрической прочности должен осуществляться в соответствии с условиями окружающей среды и поставленной задачей: чем более агрессивные
условия, больше разность потенциалов и более жесткие рабочие
условия, тем выше должно быть омическое сопротивление.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для сопрягаемых поверхностей различных форм и размеров
применяют разные материалы; узкие поверхности большой протяженности изолируют прокладками в форме уплотнительной ленты,
тогда как соединения, имеющие сложную конфигурацию и малую
площадь, разделяют уплотняющими эластомерами или набивными
мастиками, которые наносят пистолетом или шпателем, а также
шайбами и прокладками из диэлектрических материалов.
Служащие для электрического разделения материалы не должны быть пористыми до такой степени, чтобы поглощенная ими
вода или другие электролиты могли бы обеспечить постоянную
электрическую проводимость между металлами сопрягаемой пары. Например, в зонах с высокой влажностью следует употреблять
прокладки из диэлектрического асбеста или других подходящих
диэлектрических прокладочных материалов с малым поглощением
воды, а не из пористого асбеста.
Состав, рабочая консистенция, срок годности до нанесения,
сцепление с поверхностями и технология нанесения должны соответствовать рабочим условиям нанесения, которое должно осуществляться без излишних усилий и помех для других работ, проводимых в непосредственной близости.
Разделители должны соответствовать локальным условиям
среды, т. е. следует учитывать их стойкость к воздействию этой
среды, нагрева, загрязняющих примесей, выплесков и утечек (топлив, масел, дымов).
Разделители должны удовлетворять функциональным требованиям к соединению. Например, если сопряжение не фиксировано и
сопрягаемые поверхности должны быть подвижными относительно друг друга, допускается применять лишь такие разделители,
которые не препятствуют свободному движению.
Разделители должны иметь достаточную толщину или позволять наращивать свою толщину до величины, обеспечивающей
требуемое электрическое разделение при преобладающем влиянии
окружающей среды. Толщину разделителей можно изменять для
достижения требуемого соответствия, что должно быть оговорено
в чертеже.
Химический состав вещества разделителя и образующих его
компонентов не должен оказывать вредного воздействия на материалы сопрягаемой пары (например, такое воздействие оказывает
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержащаяся в вулканизированной резине свободная сера). Содержащийся в прокладках графит может существенно усиливать
коррозию сопрягаемых металлов при смачивании в морских
условиях.
Диэлектрические материалы должны быть приемлемыми
с точки зрения пожарной безопасности: они не обязательно
должны быть огнестойкими, если только не употребляются
в непосредственной близости от источника воспламенения. Требуемая характеристика замедленности возгорания зависит от
массы материала разделителя, локализации и времени выдержки
в условиях нагрева.
В условиях увлажнения разделение диэлектриком нельзя заменить окраской сопрягаемых поверхностей различных металлов.
Если особенности конструкции или требования эксплуатации
не допускают применения указанных выше приемов электрического разделения, сопрягаемые поверхности стальных или алюминиевых деталей следует подвергать металлизации нанесением алюминия или цинка.
Выбираемый материал должен обеспечивать заданную надежность конструкции, носителем которой является прежде всего его
структура. Поэтому сам материал должен быть надежным. Как
формулируется в работе [10], «надежным следует назвать тот материал, который при наличии тех или иных отклонений, будь то
внутренний или наружный дефект, включения, риски, прижоги,
коррозионные повреждения, потеряет, но ненамного, свою прочность, долговечность, ресурс, а если потеряет больше, чем это допускается, то темп, с которым эта потеря станет нарастать, даст
возможность обнаружить ущерб, наносимый служебным характеристикам материала ранее, нежели он приведет к непоправимым
последствиям».
Формирование подмножества материалов, альтернативных по
эксплуатационным свойствам, следует рассматривать как этап
предварительного выбора. Желательно, чтобы сформированное
подмножество было максимальной мощности и не состояло из
единственного варианта.
Для каждого элемента сформированного подмножества определяют оценки технологических свойств соответствующего материала (см. разд. 2). Выполняют предварительное приоритетное
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ранжирование отобранных материалов по технологическим свойствам (см. блок 8 на рис. 4). Преимущество отдается материалам,
обладающим более высокими оценками технологических свойств
в их наиболее широкой совокупности. Идеальным по технологическим свойствам следует считать материал, обладающий высокими оценками по всем характеристикам.
Рис. 7. Изменение доли затрат на исходные материалы
в себестоимости машины при разных типах ее производства:
Е — единичное; МС — мелкосерийное; С — среднесерийное;
КС — крупносерийное; М —массовое; заштрихованы возможные
диапазоны изменения доли затрат
Свойства исходных материалов зависят от их химического состава, технологии получения и совокупно определяют стоимость
материалов. Доля затрат на исходные материалы в себестоимости
изделия зависит от типа его производства (рис. 7). Во время предварительной селекции материалов сравнивают (см. блок 8 на рис. 4)
удельную стоимость (стоимость единицы массы) материалов.
Удобно пользоваться относительными оценками удельной стоимости (табл. 45).
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 45
Относительная удельная стоимость
некоторых конструкционных материалов
Наименование материала
Сталь листовая конструкционная
горячекатаная от 4 мм
Сталь тонколистовая рядовых марок до 4 мм
Сталь конструкционная листовая
холоднокатаная
Сталь листовая оцинкованная
Сталь сортовая конструкционная (без труб)
Сталь сортовая нержавеющая (без труб)
Сталь сортовая инструментальная
Сталь сортовая быстрорежущая
Трубы тянутые
Трубы катаные общего назначения
Трубы сварные больших диаметров
Прокат алюминиевый
Прокат медный
Прокат латунный
Прокат бронзовый
Прокат никелевый
Алюминий и силумины
Медь рафинированная
Цинк
Свинец
Кобальт
Никель
Олово
Молибден
Вольфрам
Полиэтилен
Полипропилен
Относительная
удельная стоимость
1,0
1,05
1,20
1,50
1,10
5,10
1,10
8,50
1,50
2,0
2,20
5,20
9,0
7,20
12,70
73,50
3,5
5,40
2,40
1,70
90,6
22,2
21,8
25,0
24,8
1,70
1,80
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 45
Наименование материала
Полистирол
Смолы фенолформальдегидные
Смолы карбамидные
Смолы эпоксидные
Листы из термопластов
Трубы и детали трубопроводов
из термопластов
Каучуки синтетические
Резинотехнические изделия формовые
Паронит
Относительная
удельная стоимость
2,40
1,50
0,40
4,50
5,20
2,70
2,70
8,45
3,0
Углеродистые качественные конструкционные стали в среднем
на 10…15 % дороже сталей обыкновенного качества. Стоимость
легированных сталей существенно зависит от используемых легирующих элементов и их количества в составе стали. Введение в
сталь недифицитных легирующих элементов (марганца, кремния,
хрома) незначительно повышает ее стоимость. Содержание никеля
заметно увеличивает стоимость сталей, которая может возрасти до
5 раз по сравнению со сталями близкого химического состава, не
содержащими никель. Особенно удорожает сталь введение в ее
состав (даже в незначительных количествах) таких элементов, как
кобальт, вольфрам, молибден, ниобий, бор. Принципиально возможна замена дорогостоящих материалов более дешевыми без потери эксплуатационного качества деталей, в частности, легированные марганцовистые стали успешно заменяют дорогостоящие
хромоникелевые стали. Поиск возможностей такой замены и является одной из основных целей оценивания удельных затрат на материалы. Однако указанное оценивание имеет сугубо предварительный характер.
Для окончательного выбора материалов следует определить
систему критериев, которым должны удовлетворять характеристики материалов, предназначенных для изготовления деталей машины. В качестве критериев целесообразно использовать показатели
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качества машины — количественные характеристики одного или
нескольких ее свойств, рассматриваемые применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации (ГОСТ 15467–79).
Однако при выборе материала еще невозможно оценить степень
соответствия принятых решений всей совокупности показателей
качества машины и критериям ее жизненного цикла. Поэтому конструктор должен выбрать важнейшие из показателей качества машины [2], трансформировать их в определяемые критерии, предъявляемые к материалам деталей, установить их приоритеты и
процедуру селекции материалов в соответствии с этими критериями (табл. 46).
Таблица 46
Примерное соответствие показателей качества машины
и критериев выбора материала
Показатель качества машины
Надежность
Долговечность
Трудоемкость изготовления
Материалоемкость
Критерий выбора материала
Характеристики прочности
материала
Жаропрочность, жаростойкость,
коррозионная стойкость
Ресурс при заданных условиях
эксплуатации
Технологические свойства материалов
Плотность материала
Удельная прочность
Минимальная масса машины
Стоимость материала
Целесообразно все множество изделий машиностроения разделять на изделия высокой и обычной ответственности.
Среди показателей качества изделий высокой ответственности
важнейшим является надежность, так как выход из строя изделия
высокой ответственности приводит к катастрофическим последствиям (гибель людей, значительные материальные потери и разрушения, угроза безопасности государства и т. п.). К изделиям высо161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кой ответственности относят, например, авиационные двигатели,
изделия атомной техники, изделия специального назначения и т. д.
При создании изделий высокой ответственности технический
принцип принятия решений доминирует над экономическим. При
создании изделий обычной ответственности добиваются компромисса технического и экономического принципов.
Улучшение качества материала повышает эксплуатационное
качество изделий, увеличивая их долговечность. Одной из основных тенденций современного машиностроения является переход
от использования «сырых» (термически необрабатываемых) материалов к термически обрабатываемым. В частности, это переход
от незакаленных сталей к закаленным, от простых углеродистых
сталей — к легированным, от чугунов — к сталям, от серых чугунов — к высокопрочным.
Высоколегированные стали и сплавы следует применять для
изготовления деталей изделий обычной ответственности, когда
ожидаемая стоимость изготовления выше стоимости основного
материала. Доля затрат на материалы в стоимости изготовления
деталей сложной конфигурации значительно меньше, чем в стоимости изготовления деталей простых форм. Для изготовления
изделий высокой ответственности применение указанных материалов оправдано стремлением обеспечить максимальную надежность изделий.
Заменять серый чугун на высокопрочный целесообразно лишь
в том случае, если при этом уменьшается масса детали или увеличивается срок ее службы.
Срок службы деталей из низколегированных сталей по сравнению с деталями из углеродистых сталей обыкновенного качества
возрастает в 1,5 – 2 раза.
Детали, изготовленные из малопластичных материалов, эксплуатирующиеся при высоких нагрузках и наличии концентраторов напряжений, обладают меньшей усталостной долговечностью,
чем детали из более пластичных материалов. Чем выше значение
предела текучести по отношению к пределу прочности, тем ниже
долговечность деталей, изготовленных из такого материала.
При выборе материала для конструкций, спроектированных
для условий эксплуатации по гарантированному ресурсу (до появления повреждений) конструктор должен помнить следующее:
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) усталостные свойства материала изменяются в процессе его
переработки в изделия;
б) агрегаты, спроектированные на гарантированный ресурс, зачастую эксплуатируются с дефектами, обусловленными усталостными повреждениями (эксплуатация по техническому состоянию);
если дефекты легко обнаруживаются, интенсивность их роста невелика и может быть многократно проконтролирована при техническом обслуживании.
Обеспечение коррозионной стойкости, кроме приведенных
выше рекомендаций, все чаще связано с использованием нетрадиционных решений при выборе материалов. В частности, расширяется применение конструкционных биметаллов: сталь низколегированная — сталь высоколегированная со специальными
свойствами; сталь — медь; титан — сталь и др. Однако двухслойные стали могут, например, усложнить технологию, так как для
сварки каждого слоя требуются электроды разного состава.
Использование высоких антикоррозионных свойств пластмасс
сдерживается их малым ассортиментом и относительно высокой
стоимостью.
Обеспечение надежности и долговечности машин часто (но не
всегда оправданно) связано с ростом их материалоемкости.
Расход материала j-го наименования для изготовления i-й детали ri j машины на этапе выбора материала можно оценить лишь
приближенно:
ri j = mдi k змi kмi ,
где mдi — масса готовой i-й детали; kзмi — коэффициент отношения массы заготовки к массе готовой детали ( kзмi > 1,0); kмi —
коэффициент, учитывающий потери материала при изготовлении
заготовки ( kмi > 1,0). Коэффициенты kзмi , kмi характеризуют вид
и способ получения исходной заготовки для i-й детали и на этапе
выбора материала точно оценены быть не могут. Для приближенных оценок можно принять kзмi = 1,25…1,40; kмi = 1,10…1,35.
Расход материала j-го наименования (марки) на изготовление
единиц изделия rиj определяют по формуле
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
rиj =
i = Iи
∑ ri j ni ,
i =1
где ni — число i-х деталей в изделии; Iи — число наименований
деталей в изделии.
Количество материала каждого j-го наименования (марки), необходимое для обеспечения заданного объема выпуска Ви изделий
Rиj , приближенно определяют по формуле
Rиj = rиj Ви
∀ j = 1, J ,
где J — число наименований (марок) материалов, используемых
для изготовления изделия.
Максимально допустимый расход при изготовлении единицы
изделия в определенных производственных условиях называют
нормой расхода материала.
Одним из традиционных и наиболее распространенных конструкторских методов обеспечения долговечности деталей машины
является конструктивное усиление (увеличение размеров их наиболее нагруженных сечений по сравнению с размерами, определенными расчетами). В самолетостроении такое усиление обычно
составляет 20…30 % толщины сечения. В отдельных случаях увеличение площади сечения может составлять 2 – 3 раза. Это резко
увеличивает материалоемкость конструкции.
Снижению материалоемкости способствуют:
а) совершенствование методов расчета деталей (конструкций)
на прочность, что позволяет более эффективно распределять материал в конструкциях;
б) применение экспериментальных методов определения усилий и напряжений в конструкциях;
в) обоснованное назначение коэффициентов запасов;
г) разработка рациональных форм деталей;
д) правильный выбор материала для деталей в соответствии с
условиями их работы, применение новых материалов вместо традиционных.
Использование низколегированных сталей вместо углеродистых только за счет более высоких прочностных свойств позволяет
уменьшить материалоемкость конструкций не менее чем на 40 %.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экономию металла можно увеличить за счет использования термической обработки низколегированных сталей.
Применение высокопрочных марок сталей позволяет уменьшить массу деталей без снижения показателей эксплуатационного
качества. Применение указанных сталей в сварных конструкциях
позволяет уменьшить их массу на 30…35 % при повышении надежности, особенно при высоких нагрузках.
Для ряда изделий (авиационная, ракетно-космическая, военная
техника и др.) снижение материалоемкости проявляется в жестком
требовании ограничения массы изделия. В этих случаях при выборе материала доминирует критерий удельной прочности. В частности, удельная прочность титановых сплавов в среднем в 3,5 раза
выше, чем углеродистых сталей и литейных алюминиевых сплавов, и в 1,5 раза выше, чем легированных сталей и деформируемых
алюминиевых сплавов. При ограничении массы изделий весьма
перспективно использование в конструкциях современных композиционных материалов.
Стоимость количества материала j-го наименования (марки),
необходимого для изготовления единицы изделия Rиj , определяют
по формуле
М rj = суj Rиj ,
где суj — удельная стоимость материала j-го наименования (марки), определяемая, например, по данным табл. 45.
Стоимость количества материала j-го наименования (марки),
необходимого для изготовления заданного объема выпуска изделий Rиj , можно оценить как
М Rj = суj Rиj k уj ,
где k уj — коэффициент, учитывающий доплаты за малость заказываемого количества или некратность размеров заказываемого
j
пруткового или листового материала стандартным. При Rиj ≤ Rmin
j
k уj = 1,1…1,3, где Rmin
— предельно малое количество материала,
отпускаемое заводом — производителем материала.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая стоимость Мв материалов в количествах, необходимых
для реализации заданного объема выпуска изделия:
Mв =
j = Jм
∑ М Rj ,
j =1
где Jм — число наименований (марок) материалов, используемых
для изготовления изделия.
Критерий минимальной стоимости материалов является одним
из основных для машин обычной ответственности. Однако при
выборе материалов оценить их стоимость можно лишь приближенно, так как она сильно зависит от способов изготовления исходных заготовок, еще не определенных на данном этапе создания
машины.
Среди материалов, обладающих близкими эксплуатационными
и технологическими свойствами, предпочтение отдают более дешевым. Однако часто бывает необходимо дополнительно проанализировать возможности применения более дешевого материала.
Стоимость обычно пытаются минимизировать заменой более
дорогих материалов более дешевыми. Так, дорогостоящие оловянные бронзы во многих случаях могут успешно заменяться латунными и безоловянными бронзами, по ряду свойств превосходящими их. Замена проката черных металлов пластмассами при учете
стоимости только самих материалов неэффективна. Но если учитывать экономию трудовых и капитальных затрат в результате
внедрения пластмасс вместо проката черных металлов, то во многих случаях такая замена дает экономический эффект.
Окончательный выбор материала (см. блок 11 на рис. 4) связан с решением многокритериальной задачи [7], так как свойства
материала должны в комплексе удовлетворять всем предъявляемым к ним требованиям и критериям, а также соответствовать
основным критериям ЖЦИ. При окончательном выборе материалов можно использовать отборочные ведомости в формах, рекомендованных в [9]. Эти ведомости, разумеется, будут разными
для различных материалов и проектов, что потребует их выборочного уточнения.
Для принятия окончательного решения о выборе материала необходима полная информация о технических аспектах эксплуата166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ции машины, о технологических аспектах ее изготовления, а также
об отдельных частных вопросах ее конструирования (например,
защите от коррозии). Очень редко и лишь в случаях простых и повторно реализующихся проектов бывает достаточно компетенции
и знаний одного человека для решения поставленных задач.
Обычно для этого необходимо тесное сотрудничество конструктора с технологами, материаловедами, специалистами по материально-техническому снабжению, инженерами по защите от коррозии
и другими специалистами, каждый из которых должен приложить
свой опыт и специальные знания для принятия взвешенного решения. Конструктор часто не может в полной мере оценить технологические последствия выбора конкретного материала. Поэтому он
обязан проконсультироваться с технологами и принять окончательное решение по результатам проведенных консультаций.
Данные отборочных ведомостей после соответствующей оценки и сравнительного сопоставления должны служить основой для
решения вопроса о том, подходит ли рассматриваемый комплекс
материалов и технология их обработки для рассматриваемой цели.
Хотя в некоторых случаях можно получить совершенно четкое
подтверждение пригодности одного из материалов, в значительно
большем числе случаев приходится подвергнуть сравнительной
оценке несколько материалов или способов обработки, прежде чем
удастся выявить оптимальный вариант. Даже тогда выбранные материалы не всегда соответствуют всем требуемым свойствам, и в
таких случаях следует остановиться на максимально удовлетворяющем разработчика компромиссном решении.
Часто выбор материалов деталей выполняют на основе конструкторских решений-аналогов (см. блоки 13 и 15 на рис. 4).
Конструктор рассуждает примерно так: проектируется изделие
Б с заданными техническими характеристиками и показателями
эксплуатационного качества. Ранее было изготовлено и эксплуатировалось изделие А, основные показатели эксплуатационного
качества которого были сходными с соответствующими показателями, указанными в техническом задании на проектирование изделия Б. В изделии А есть деталь — аналог проектируемой. Материал детали изделия А обеспечил заданные эксплуатационные
свойства. Вероятно, этот же материал сможет обеспечить заданные
эксплуатационные свойства детали изделия Б.
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Данный подход в определенной мере приемлем, однако конструктор должен помнить следующее:
а) условия эксплуатации проектируемого изделия могут существенно отличаться от соответствующих условий для изделияаналога;
б) расчетные ресурсы изделия-аналога и проектируемого изделия могут существенно различаться, что особенно неприемлемо
при сравнении изделий с ограниченным и неограниченным ресурсами, например: некорректным является выбор в качестве изделияаналога изделия специальной техники при проектировании изделия гражданского назначения;
в) многие из показателей эксплуатационного качества аналога
могут быть неизвестными или просто игнорироваться, в то время
как для проектируемого изделия они могут быть даже определяющими;
г) изделие-аналог может создаваться на базе принципиально
отличных конструктивных подходов по сравнению с проектируемым изделием; требования к эксплуатационным свойствам материала изделия-аналога могут существенно отличаться от требований, характерных для проектируемого изделия.
Для определения количественных оценок подобия проектируемого изделия и аналога в целях поиска последнего может применяться формальный математический аппарат [11].
Даже при наличии близкого аналога конструктор обязан рассмотреть альтернативные варианты материалов, которые в принципе могут быть использованы для изготовления проектируемой
детали. Окончательный выбор материала осуществляют в соответствии с описанными действиями. Совокупность заданных эксплуатационных свойств или другие причины (например, неприемлемо
высокая стоимость) могут не позволить выбрать материал. В этом
случае возможна корректировка требований к материалам (см.
блок 14 на рис. 4) в сторону их «смягчения» с повторением уже
описанных действий по поиску и выбору материала.
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машиностроение: Энцикл.: В 2 кн. Т. I-3: Динамика и прочность
машин. Теория механизмов и машин / Под ред. К.С. Колесникова. М.:
Машиностроение, 1996. 534 с.
2. Качество машин: Справ.: В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун,
Н.А. Виткевич и др. М.: Машиностроение, 1995. 256 с.
3. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко,
М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др.; Под общ. ред. А.С. Зубченко. М.:
Машиностроение, 2003. 784 с.
4. Скачков О.А. Перспективные жаростойкие и жаропрочные сплавы
на основе интерметаллидов NiAl и Ni3Al // Сталь. 2002. № 2. С. 74 – 77.
5. Балабанов А.Н. Технологичность конструкций машин. М.: Машиностроение, 1987. 336 с.
6. Михеев С.В., Строганов Г.Б., Ромашин А.Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. М.: Альтекс, 2002. 276 с.
7. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике. М.: Радио и связь, 1984. 288 с.
8. Кондаков А.И., Харитонов А.В. Количественные критерии жизненного цикла изделия машиностроения // Справочник. Инженерный журнал. 2004. № 1. С. 5 – 9.
9. Плудек В. Защита от коррозии на стадии проектирования: Пер. с
англ. М.: Мир, 1980. 438 с.
10. Брондз Л.Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. М.:
Машиностроение, 1986. 184 с.
11. Технологические аспекты конверсии машиностроительного производства / А.С. Васильев, С.А. Васин, А.М. Дальский, А.И. Кондаков; Под
ред. А.И. Кондакова. М.; Тула: ТулГУ, 2003. 271 с.
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................................................... 3
1. Характеристики свойств машиностроительных материалов................... 4
2. Основные машиностроительные материалы и их свойства................... 26
2.1. Чугуны ............................................................................................ 26
2.2. Стали и черные сплавы................................................................... 32
2.3. Цветные металлы и сплавы, тугоплавкие сплавы .......................... 90
2.4. Неметаллические материалы.........................................................112
2.5. Композиционные материалы.........................................................132
3. Принятие решений при выборе материалов деталей машин................138
Список литературы ...................................................................................169
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Кондаков Александр Иванович
Васильев Александр Сергеевич
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ
ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор О.В. Калашникова
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой
Подписано в печать 15.01.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 10,0. Уч.-изд. л. 8,27. Тираж 250 экз.
Изд. № 165. Заказ .
.
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5
171
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа