Способы маркировки металлических материалов

Лабораторная работа № 1

Классификация, маркировка и применение конструкционных материалов

оглавление

1.0. Цель и задачи работы

2.0. Указания к самостоятельной работе

3.0. Классификация материалов

4.0. Способы маркировки металлических материалов

5.0. Углеродистые стали

5.1. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения

5.2. Качественные конструкционные углеродистые стали для деталей машин

5.3. Инструментальные углеродистые стали

6.0. Маркировка легированных сталей

7.0. Особые способы маркировки сталей

7.1. Маркировка сталей для отливок

7.2. Маркировка автоматных сталей

7.3. Стали для подшипников

7.4. Маркировка быстрорежущих сталей

7.5. Маркировка строительных сталей

7.6. Магнитные стали

7.7. Стали специальных способов выплавки

7.8. Нестандартные легированные стали

8.0. Чугуны

9.0. Порошковые материалы

10.0. Медь и сплавы на основе меди

10.1. Латуни

10.2. Бронзы

11.0. Алюминий и сплавы на основе алюминия

12.0. Магний и сплавы на основе магния

13.0. Титан и сплавы на основе титана

14.0. Содержание отчета

15.0. Контрольные вопросы

Цель и задачи работы

Инженеру в его работе необходимы знания в области применения материалов, поскольку на практике приходится решать вопросы их подбора для конкретных условий эксплуатации. Следствием неправильного выбора является плохое качество и недолговечность конструкций, машин и оборудования. Нередко эти условия являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагружения, особые условия трения и т.д. Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия многих факторов.

Знания в области применения включают в себя широкий круг вопросов: данные по составу и свойствам материалов, способам изменения и улучшения свойств, а также поведению материалов в тех или иных условиях эксплуатации. Поэтому конструкторы при выборе материала не могут учитывать один или два каких-либо критерия, например, прочность и пластичность при комнатной температуре, так как это не дает правильной оценки возможностей материала. Обычно они пользуются комплексной характеристикой, называемой конструктивной прочностью, которая учитывает одновременно конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы, а также требования экономической целесообразности.

Приняв во внимание многочисленность и разнообразие технических материалов по свойствам и поведению при работе, становится очевидным, что без знания принципов классификация материалов и способов их обозначения или маркировки невозможен выбор нужного материала для конкретных условий эксплуатации изделий.

Целью данной методической разработки является определение круга вопросов, служащих первоначальной основой изучения ряда наук о металлах , без усвоения которых невозможно успешное продвижение в общетехнических и специальных инженерных дисциплинах. Для ее выполнения поставлены следующие задачи:

1. Изложить принципы классификации металлических материалов и способы их маркировки в соответствии с государственными стандартами Российской Федерации (ГОСТ).

2. Ознакомить в общих чертах с областями применения и свойствами металлических материалов.

2.0. Указания к самостоятельной работе

Ознакомиться с разделом «Принципы классификации материалов».

Изучить материал по каждой отдельной группе материалов в следующем объеме:

а) название группы материалов;

б) принцип маркировки: значение букв и цифр марки;

в) по возможности воспроизвести весь ряд сплавов данной группы от первого до последнего;

г) ознакомиться с табличными данными на предмет их соответствия марке материала;

д) ознакомиться с областью применения материалов данной группы;

е) с целью облегчения дальнейшего использования материала в последующих инженерных дисциплинах рекомендуется указывать номер ГОСТа, по которому поставляется изготовителем и принимается заказчиком тот или иной материал.

Классификация материалов

В технике и быту применяется очень много разнообразных по составу, происхождению, свойствам и назначению материалов. И самой первой и самой простой классификацией всех материалов на группы является деление их на металлы и неметаллы. Поскольку круг рассматриваемых материалов в данной разработке ограничен металлами и их сплавами, приведем отличительные признаки металлов и неметаллов.

Отличительной особенностью металлов является их кристаллическое упорядоченное строение и способность деформироваться ковкой, что было отмечено еще М.В. Ломоносовым. Однако, более типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло - и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления r(Т): у металлов при Т®о, r®0, а у неметаллов r®¥. В ассортимент неметаллов включаются пластмассы, волокна, пленки, резины, клеи, древесина, стекло, керамика, лакокрасочные покрытия и т.д.

Из известных к настоящему времени 111 химических элементов 83 относят к металлам, хотя некоторые с оговоркой (Вi, Sb,Si), поскольку имеют свойства металлов и неметаллов. Заметное производство и применение нашли около 30 металлов, при этом на долю железа приходится более 90%, а на долю всех остальных менее 10%. Кроме того, следует иметь в виду, что в чистом виде металлы применяются редко. Чаще всего используются сплавы на их основе, так как сплавы имеют более высокие механические свойства и обладают комплексом специальных свойств: жаропрочностью, кислотостойкостью, магнитными свойствами и т.д. На основе железа производят сталь и чугун. Объем производства стали является важнейшим показателям технической и экономической мощи страны.

Число металлических сплавов, применяемых в технике, очень велико, при этом оно постоянно возрастает в связи с растущими требованиями многих отраслей промышленности. Классифицировать эти сплавы по одному признаку не удается, так как их состав, свойства, назначение и способы производства слишком многообразны. Поэтому существуют несколько признаков, по которым классифицируют сплавы: по химическому составу, по назначению, по свойствам, по способу выплавки, по степени раскисления, по структуре, качеству и т.д.

По химическому составу классификация основана на указании главного или основного компонента сплава, на основе которого сплав составлен: железо, медь, алюминий и т.д. Такая классификация позволяет распределить сплавы на небольшое число основных классов: а) сплавы на основе железа (стали, чугуны), б) медные сплавы (бронзы и латуни), в) алюминиевые сплавы (авиали, дюрали, силумины), г) магниевые сплавы, д) титановые сплавы, е) оловянистые и свинцовистые сплавы для подшипников (баббиты) и т.д. А самая большая группа сплавов - стали, в свою очередь, делится по химическому составу на 2 группы: углеродистые (нелегированные) стали и легированные.

По назначению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали должны обладать высокими прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться и т.д. Стали конструкционные используются для изготовления деталей машин, механизмов в машиностроении и металлоконструкций в строительстве. Инструментальные стали должны обладать повышенной или высокой твердостью и износостойкостью, которые должны сохраняться при нагреве. Инструментальные стали применяются для изготовления инструмента для обработки металлов резанием, давлением, для изготовления мерительного инструмента. Специальные стали должны обладать какими-либо особыми свойствами: кислотостойкостью, жаропрочностью, магнитными или ,наоборот, немагнитными свойствами и т.д. Основными потребителями сталей с особыми свойствами являются приборостроение, химические производства, ракетостроение, авиастроение, военная спецтехника и т.д.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными признаком качества является содержание вредных примесей в сталях: серы и фосфора. Предельно допустимое содержание примесей в сталях разных категорий качества следующее:

Категория обыкновенного качества относится только к сталям простым углеродистым (нелегированным), а две остальные категории относятся и к углеродистым, и к легированным сталям.

По степени раскисления (удаление кислорода из металла) стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс), и кипящие (кп), что указывается в марке. При одинаковым содержании углерода спокойные, полуспокойные и кипящие стали имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие в пластичности, что отражается на штампуемости в холодном состоянии. Это обусловлено содержанием остаточного кремния в стали:

Кипящая < 0,05%;

Полуспокойная сталь 0,05-0,15%;

Спокойная сталь 0,15 - 0,35%.

Чем больше кремния в стали, тем хуже штампуемость. Легированные стали выплавляются только спокойными в мартеновских или электрических печах. В качестве раскислителей металлурги используют марганец, кремний, алюминий.

По способу производства различают стали конверторные, мартеновские, электросталь и стали особых методов выплавки: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-индукционная плавка (ВИП), вакуумно-диффузионная плавка (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП), плазменно-дуговая плавка (ПДП). Применение особых методов выплавки позволяет получить более чистый качественный материал.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к различным сталям, существуют более частные классификации отдельных групп сталей, которые требуют специальных знаний в области материаловедения и будут рассмотрены в соответствующих разделах этой дисциплины, например, классификация сталей по микроструктуре.

Способы маркировки металлических материалов

Обозначение марок сталей и других сплавов в нашей стране производят по буквенно-цифровой системе. Но для различных металлов и сплавов способы маркировки различаются информацией, заложенной в марке. Известны три принципиально различных способа маркировки.

Самым распространенным способ является «марка-состав», когда в марке заложена информация о составе по основным компонентам, входящим в сплав. Так обозначаются качественные углеродистые и легированные стали, медные сплавы, твердые сплавы, часть алюминиевых сплавов.

Более узкое применение имеет способ «марка-свойство». Таким способом обозначаются графитосодержащие чугуны. В марке заложена информация о прочности и пластических свойствах чугунов.

Следует отметить, что это два наиболее простых и одновременно информативных способа. Специалисту для начала уже достаточно этой информации, чтобы получить представление о возможностях данного сплава. К тому же по сравнению с принципами обозначения сплавов в других странах наша система считается наиболее наглядной и простой, чего нельзя сказать о третьем способе маркировки «марка-каталог». Согласно этому способу сплавам присваиваются номера, перед которыми для углеродистых сталей общего назначения стоят буквы «Ст» (сталь), для высоколегированных сталей сложного состава – индексы «ИЭ» или «ЭП» (марки исследовательские или пробные). В этом случае для расшифровки состава или свойств нужны соответствующие ГОСТы, технические условия или каталоги марок.

Углеродистые стали

Основной продукцией черной металлургии является сталь – сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали колеблется в широких пределах от 0,1 до 2%. Сталь промышленного производства является сплавом, сложным по химическому составу. Кроме основы-железа в ней содержится много элементов, наличие которых обусловлено различными причинами:

а) невозможностью их полного удаления: S,Р, О₂, N_2, Н₂;

б) технологическими особенностями производства: марганец и кремний, например, вводятся как раскислители;

в) случайные примеси из руды или шихты: Сr, Мn, Ni, Сu, Аs и др.

Содержание всех этих примесей будет зависеть от состава шихты и способа выплавки стали: конверторный, мартеновский, электроплавка, специальные способы выплавки.

Один элемент – углерод вводится в простую сталь намеренно, умышленно. Объясняется это тем, что углерод очень сильно влияет на свойства сталей даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому углерод и является основным элементом, изменяющим свойства сталей. С увеличением содержания углерода растут твердость – НВ, прочность – s_в, уменьшается пластичность d и вязкость (рис.5.1.)

Рис. 5.1. Влияние углерода на механические свойства сталей

Количество постоянных примесей в углеродистой стали ограничивается следующими пределами:

Мn ≤ 0,7%

Si ≤ 0,5%

Р ≤ 0,05%

S ≤ 0,05%

Марганец и кремний в углеродистой стали являются технологическими добавками, без них невозможно выплавить сталь. Их вводят при выплавке как раскислители, элементы, удаляющие кислород из стали. Марганец к тому же устраняет вредное действие серы, называемое красноломкостью, переводя серу в тугоплавкое соединение МnS.

Сера и фосфор являются вредными примесями железа и попадают в сталь из руды. Сера придает стали красноломкость, образуя соединение, плавящееся в районе температур горячей обработки давлением. Фосфор сообщает стали хладноломкость, что делает его опасным для изделий, работающих в районах с холодным климатом.

Вредными примесями в стали являются газы, особенно такие, как кислород и водород. Кислород образует окислы, снижающие усталостную прочность сталей, а водород может образовать трещинки-надрывы, называемые флокенами.

Углеродистые стали по назначению могут быть конструкционными и инструментальными. По качеству конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные, а инструментальные на качественные и высококачественные.