Классификация конструкционных материалов

а) Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:

1. Металлические материалы, к которым относятся:

сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;

стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);

цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.

композиционные материалы с металлической матрицей;

2. Неметаллические материалы:

полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;

композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);

неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

3. Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями. В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:

материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);

материалы с особыми технологическими свойствами;

износостойкие материалы;

материалы с высокими упругими свойствами;

материалы с малой плотностью;

материалы с высокой удельной прочностью;

материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.

б) 1.1. Конструкционные легированные стали, их маркировка и области применения

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеродистые цементуемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность изделий приобретает высокую твердость (HRC 58-62), а сердцевина не упрочняется.

Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали – это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки, которая заключается в закалке с 820-880°С в масле с последующим высоким отпуском (550-650°С). Для тяжело нагруженных деталей крупных сечений применяют легированные стали (марки 40ХН, 30ХГСА и др.).

К конструкционным легированным сталям могут быть отнесены рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и др.

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300-400°С).

К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г, 65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовление плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу; хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300°С) и переменных нагрузках.

Шарикоподшипниковые стали применяются для изготовления подшипников – ответственных деталей машин и механизмов. Они в значительной степени определяют точность и производительность металлорежущих станков, а также обеспечивают надежность и долговечность работы машин, в том числе автомобилей, тракторов, подвижного состава железных дорог и др. Основные требования к подшипниковым сталям: высокая статическая грузоподъемность, высокое сопротивление контактной усталости, износостойкость, высокое сопротивление малым пластическим деформациям и размерная стабильность.

Наибольшее применение для изготовления подшипников получили стали ШХ6 (1,05 – 1,15 % С и 0,4-0,7 % Сг) и ШХ15 (0,95-1,05 % С и 1,3-1,65 % Сг). Для обеспечения достаточной прочности и выносливости стали ШХ6 и ШХ15 должны иметь после закалки и отпуска HRC 61 – 65, ШХ15СГ – HRC 60 – 64.

К износостойким сталям относится высокомарганцовистая сталь марки 110Г13Л, известная под названием стали Гадфильда. Она содержит 0,9-1,4% С; 11,5-15% Мn; 0,3-1,0 % Si и небольшое количество серы, фосфора, хрома, никеля и меди. Сталь 110Г13Л используют для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного износа, в частности для зубьев ковшей, экскаваторов, траков гусеничных машин, железнодорожных стрелок и крестовин, бронеплит и дробилок и т. п.