Назначение и выбор металлических материалов

В. Р. Бараз, М. А. Филиппов




            НАЗНАЧЕНИЕ И ВЫБОР МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.01
ББК 34.44
     Б24



Рецензенты: кафедра материаловедения, контроля в машиностроении и методики профессионального образования Российского государственного профессионально-педагогического университета - РГППУ
             (зав. кафедрой проф., д-р техн. наук Б. Н. Гузанов);
проф., д-р техн. наук (Уральский государственный лесотехнический университет) Б. А. Потехин

        Бараз, В. Р.

Б24 Назначение и выбор металлических материалов : учебное пособие / В. Р. Бараз, М. А. Филиппов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 152 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1183-7

           Приведены справочные данные и сформулированы основные принципы, которыми следует руководствоваться при выборе металлических сплавов различного назначения и технологий их термической обработки. Рассмотрены примеры задач по выбору металлических сплавов и упрочняющих технологий для типичных деталей машиностроения. Представлена компьютерная программа автоматизированного выбора материалов и технологий в машиностроении и методика практического пользования этой программой.
           Для студентов машиностроительных и металлургических специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий и научно-исследовательских институтов.


УДК 621.01
ББК 34.44









ISBN 978-5-9729-1183-7

     © Бараз В. Р., Филиппов М. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        Оглавление


Введение..........................................................6
Глава 1. Общие сведения о металлах и основные положения термической обработки .......................................................10
1.1. Классификация металлов......................................10
1.2. Классификация сплавов по способу технологической обработки...12
1.3. Разновидности термической обработки.........................13
1.4. О термической обработке стали...............................17
1.5. Классификация сталей........................................19
1.5.1. Классификация по назначению...............................19
1.5.2. Классификация по химическому составу......................20
1.5.3. Классификация по качеству.................................21
1.5.4. Классификация по прочности................................23
1.5.5. Классификация по степени раскисления .....................24
Глава 2. Назначение различных марок сталей и сплавов.............26
2.1. Конструкционные стали.......................................26
2.2. Инструментальные стали......................................29
2.3. Чугуны......................................................31
2.4. Жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие и износостойкие стали и сплавы...................................................32
2.5. Цветные сплавы..............................................34
Глава 3. Выбор стальных материалов и технологий с использованием справочных данных................................................36
3.1. Выбор марки конструкционной стали и технологического режима её упрочняющей обработки для типовых деталей машин...............36
3.1.1. Выбор марки стали по критическому диаметру прокаливаемости.37
3.1.2. Стоимость металлических сплавов...........................43
3.1.3. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из конструкционных сталей........................................48
3.2. Принципы выбора инструментальных сталей и технологий их упрочняющих обработок.........................................50
3.2.1. Классификация, маркировка и принципы выбора инструментальных сталей..........................................51
3.2.2. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из инструментальной стали........................................54

3

3.3. Стали, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.55
3.3.1. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали...................55
3.3.2. Жаростойкие (окалиностойкие) стали ......................59
3.3.3. Жаропрочные стали........................................61
3.3.4. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из коррозионностойких сталей ...................................68
3.4. Чугуны.....................................................69
3.4.1. Основная характеристика чугунов..........................69
3.4.2. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из чугунов......................................................77
Глава 4. Выбор материалов на основе цветных сплавов.............79
4.1. Медные сплавы..............................................79
4.1.1. Латуни...................................................80
4.1.2. Бронзы...................................................83
4.1.3. Медноникелевые сплавы....................................91
4.1.4. Применение меди и ее сплавов.............................93
4.1.5. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из медных сплавов................................................95
4.2. Алюминиевые сплавы..........................................95
4.2.1. Литейные алюминиевые сплавы..............................97
4.2.2. Деформируемые алюминиевые сплавы........................100
4.2.3. Порошковые сплавы.......................................103
4.2.4. Особенности термообработки алюминиевых сплавов..........104
4.2.5. Способы обработки алюминиевых сплавов...................104
4.2.6. Применение алюминиевых сплавов..........................106
4.2.7. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из алюминиевых сплавов.........................................107
4.3. Магниевые сплавы..........................................109
4.3.1. Литейные магниевые сплавы...............................110
4.3.2. Деформируемые магниевые сплавы..........................113
4.3.3. Термическая обработка магниевых сплавов ................116
4.3.4. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из магниевых сплавов...........................................120
4.4. Титановые сплавы..........................................121
4.4.1. Литейные титановые сплавы...............................123
4.4.2. Деформируемые титановые сплавы..........................125

4

4.4.3. Термообработка титановых сплавов.........................131
4.4.4. Области применения титана и его сплавов..................134
4.4.5. Пример решения задачи по выбору изделий из титановых сплавов.136
4.5. Никелевые сплавы...........................................136
4.5.1. Жаропрочные сплавы.......................................138
4.5.2. Конструкционные сплавы...................................141
4.5.3. Электротехнические сплавы на никелевой основе............142
4.5.4. Сплавы с особыми физическими и химическими свойствами....143
4.5.5. Применение никеля и его сплавов..........................145
4.5.6. Пример решения задачи по выбору материала для изделий из никелевых сплавов................................................146
Список использованной и рекомендованной литературы..................148

5

        Введение


     Профессиональная обязанность материаловеда-технолога - уметь технически грамотно и обоснованно решать задачи по выбору материала для конкретной детали и технологии ее получения. Обычно задание на выбор материала и технологии его обработки исходит от конструктора, который формулирует перечень требуемых эксплуатационных и технологических показателей (в виде цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически всегда оказываются неполными, а иногда и не совсем точными. Поэтому материаловеду зачастую приходиться решать такую задачу в ситуации неполного знания об условиях работы данной детали, не имея исчерпывающих представлений об уровне функциональных свойств используемого материала.
     Принятию решения по выбору нужного материала (из числа имеющихся) обычно предшествует обстоятельный сбор более полной информации и последующий тщательный её анализ по поводу существующей конструкции или имеющегося агрегата, для которых предназначена искомая деталь. Такой информационный задел может включать сведения о зарегистрированных недостатках, отказах и поломках. Полезными также являются данные о том, представляет ли изделие собой оригинальную конструкторскую разработку или оказывается усовершенствованием уже освоенной. Кроме того, важно знать, определяет ли материал качество и технологичность конструкции решающим образом или же он обеспечивает вторичные функции. Приходится, наконец, учитывать и другие немаловажные факторы - предполагаемый объем производства и, соответственно, планируемое потребление материала, экономические и другие разумные соображения.
     В рамках данного справочного пособия возможные ситуации по выбору подходящего материала ориентированы на поиск такового из числа уже известных и освоенных промышленностью. Обычно каждый случай решения задачи по поиску нужного материала и приемлемого технологического режима имеет вполне индивидуальный характер, поскольку касается конкретной ситуации. Тем не менее, сама процедура изыскания материала подчиняется определенному алгоритму и включает осуществление ряда последовательных действий. Отметим наиболее существенные из них.
     1.      Надлежит оценить условия работы детали и определить перечень требуемых свойств и их числовые показатели. Обычно принимаются во внимание ряд стандартных механических, физико-химических и технологических характеристик (например, показатели прочности и пластичности, величина удельного электросопротивления, обрабатываемость резанием, свариваемость и т. д.).

6

     2.      Рекомендуется определить группу материалов по следующим видам: конструкционные стали общего назначения, инструментальные стали, специальные стали и сплавы (жаропрочные, нержавеющие, износостойкие и проч.), чугуны, цветные сплавы.
     Для помощи в решении этого вопроса обычно следует использовать технические справочники и учебную литературу, где приведены данные о примерных назначениях сталей, сплавов, неметаллических материалов для различных изделий. В настоящем справочном пособии приведены наиболее распространенные и доступные сведения о разнообразных металлических материалах. В случае надобности иметь более полные и подробные сведения можно воспользоваться приведенным библиографическим списком [1-11]. В некоторых случаях удается почерпнуть полезную информацию из оригинальных научных публикаций в журналах или из монографий. Наконец, мощным современным средством поиска является наличие ряда компьютерных баз данных, которые облегчают формальный поиск материала (чаще всего по показателям механических характеристик). Однако использование и этого метода также может привести к неоптимальному решению, так как весьма трудно учесть множество разнонаправленных факторов, которые в совокупности определяют соотношение качества и цены изделия, обусловливающих его конкурентоспособность.
     3.      Следует учитывать экономические соображения - если для данного типа деталей можно использовать несколько различных марок, например, сталей, то выбирается наименее легированная, но обеспечивающая прокаливаемость заданного конкретного сечения. И, наоборот, дорогостоящие легированные стали, содержащие Ni, Mo, W, V, или цветные сплавы следует рекомендовать лишь в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не способен обеспечить требования, обусловленные заданием.
     4.      Важно учитывать технологические свойства - это позволяет использовать более производительные и экономичные процессы. В результате удается не только улучшить функциональные характеристики изделия, но и снизить трудоемкость его изготовления, сократить расход материалов (например, за счет уменьшения доли отходов).
     5.      Окончательные свойства, а также свойства на стадии технологического передела изделия могут обеспечиваться термической обработкой, операциями ОМД, резания, сварки или определенными видами комбинированных обработок (термомеханической, химико-термической). Поэтому важную роль следует отвести подбору приемлемых технологических режимов обработки, принимая во внимание то обстоятельство, что возможность регулирования структуры позволяет управлять свойствами в нужном направлении.

7

     Выбор того или иного материала для конкретного изделия или конструкции будет рациональным и экономически эффективным, если при минимальном легировании обеспечивается требуемый уровень конструктивной прочности, а удорожание материала в результате легирования и изменения технологии производства не будет превышать экономический эффект, достигаемый посредством следующих технико-экономических факторов:
     -       обеспечение необходимой надежности и долговечности (хладостойкость, сопротивление усталости, износостойкость и т. п.);
     -       получение новых технологических и эксплуатационных свойств (например, коррозионной стойкости, жаропрочности, свариваемости и проч.);
     -       уменьшение массы;
     -       снижение расходов на изготовление, монтаж, транспортирование и эксплуатацию.
     Подобные соображения оказываются вполне целесообразными при решении практической задачи, связанной с выбором подходящего материала и назначением обоснованной технологии.
     При написании настоящего пособия авторы исходили из разумного предположения, что читатель хотя бы в общих чертах имеет представление о базовых положениях термической обработки металлических материалов. Тем не менее, было сочтено возможным в 1-й главе напомнить самые необходимые сведения о способах и технологических приемах термической обработки как сталей, так и сплавов на основе цветных металлов.
     Само учебное пособие построено таким образом, чтобы получение требуемой информации можно было осуществить двумя способами. В первом случае (это изложено во 2-й главе) пользователю предлагается классическая и вполне привычная табличная система изложения первичных справочных данных - в достаточно компактной форме приводятся полезные сведения о том, какие именно металлические материалы и для какого рода изделий могут быть рекомендованы. Охватывается достаточно широкий круг сталей и сплавов различного назначения - от обычных углеродистых марок сталей до сложнолегированных сплавов, включая и разнообразную группу сплавов на основе цветных металлов (Cu, Al, Mg, Ni, Ti).
     В дальнейшем для получения более исчерпывающей информации о выбранном материале и технологическом способе его переработки (температуры критических точек, химический состав, рекомендуемые режимы термической обработки, физико-механические и технологические свойства, вид поставки, возможные заменители и проч.) следует уже использовать специальную справочную литературу. Список таких марочников приведен в заключительном разделе данного пособия.

8

      Практическое исполнение этого методического подхода (описано в 3 и 4-й главах) подробно проиллюстрировано на конкретных примерах, рассматривающих выбор потребных материалов и приемлемых технологических режимов их обработки применительно к конструкционным и инструментальным сталям и сплавам. При этом авторы сочли возможным в этих главах в некоторых случаях дать достаточно развернутые сведения о рассматриваемых материалах (их назначение, технологические особенности обработки, служебные свойства и проч.).
      Второй способ получения нужной информации основан на применении современных компьютерных технологий. В основном имеющиеся информационные продукты в материаловедении сконцентрированы в исследовательской сфере.
      Все, что связано непосредственно с производством, как правило, является закрытой темой и коммерческой тайной.
      В отношении исследований можно выделить несколько известных направлений:
      1.      Использование специализированного программного обеспечения (в том числе купленное вместе с прибором), например SIAMS SIAMS 800.
      2.      Открытое программное обеспечение с аналогичными возможностями, но требующее уже намного больших компетенций, таких как навыки программирования и хорошая математическая подготовка, например LAMMPS Molecular Dynamics Simulator (sandia.gov) или scikit-learn: machine learning in Python - scikit-learn 0.24.1 documentation (scikit-learn.org).
      3.      Другое программное обеспечение, необходимое для обработки и представления данных, начиная с того же MS Excel, и, например, Origin: Data Analysis and Graphing Software (originlab.com).
      4.      Мальцев И.М. Материаловедение. Выбор марки стали для машиностроительного изделия с применением базы данных: комплекс учебнометодических материалов / И.М. Мальцев, Нижегород. гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 2006. 62 с.
      5.      Копылов Ю.Р. Компьютерные технологии в машиностроении (практикум). Учебное пособие / Ю.Р. Копылов. С.-Петербург: Издательство «Лань», 2019. 500 с.
      В целом данное учебное пособие, по мнению авторов, дает возможность пользователю получить полезные навыки решения довольно распространенных материаловедческих задач. При этом достигается оно с использованием как традиционных приемов, основанных на анализе сведений из справочной литературы, так и путем применения более современных методов в форме компьютерных технологий, благодаря которым поиск нужного материала осуществляется по определенному алгоритму, когда компьютер сам «ведет» пользователя к получению конечного результата.

9

Глава 1. Общие сведения о металлах и основные положения термической обработки
1.1. Классификация металлов

     Металлические материалы принято разделять на две большие группы -черные и цветные металлы.
     К черным металлам обычно принадлежат железо и его сплавы (сталь, чугун, ферросплавы). К этой группе часто условно относят также такие металлы, как хром, марганец, которые в основном используются в качестве добавок к железу. Однако их правильнее выделять в отдельную группу цветных металлов -легирующие металлы (легирующие элементы).
     Цветные металлы - это промышленное название всех остальных металлов. В свою очередь цветные металлы разделяются на несколько групп (однако общепринятая классификация отсутствует). Так, в зависимости от плотности цветные металлы принято делить на лёгкие и тяжелые. К первой группе относятся такие, которые имеют плотность меньше 5 г/см³ (алюминий, магний, титан, бериллий, литий и др.), ко второй группе - те, у которых плотность выше указанной величины (медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк и др.). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Наиболее тяжёлый металл в настоящее время определенно назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти одинаковы (около 22,6 г/см³ - ровно в два раза выше плотности свинца). Однако вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, поскольку любые примеси снижают их плотность.
     В зависимости от температуры плавления используется градация на легкоплавкие и тугоплавкие металлы. Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от -39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В качестве пороговой принимается температура, равная 1000 °С (в некоторых справочных изданиях подобное разделение основывается на сравнении с температурой плавления железа, т. е. 1539 °С). Соответственно, если придерживаться первой градации, то к числу легкоплавких металлов следует отнести ртуть, олово, кадмий, свинец, цинк, магний, висмут, таллий, сурьму, алюминий, серебро; тугоплавкими являются медь, золото, железо, никель, титан, цирконий, молибден, хром, ванадий, ниобий, тантал и, конечно же, вольфрам.
     Кроме того, металлы принято делить на благородные металлы (золото, серебро, платина, палладий, радий, рутений, иридий и осмий) и редкие металлы (вольфрам, хром, ванадий, молибден, тантал, радий и подгруппа редкоземельных - церий, торий, скандий, иттрий и др.). Появление термина редкие металлы

10

объясняется сравнительно поздним освоением и использованием этих элементов, что связано с их малой распространённостью (или рассеянностью в земной коре), а также трудностями извлечения из сырья для выделения в чистом виде.
     Довольно любопытным следует признать существующее природное распределение элементов. Их количественная оценка в настоящее время выполнена достаточно точно. В земной коре (литосфере) на глубине приблизительно 1 км содержатся следующие элементы (их содержание дано в массовых процентах):

Кислород Кремний Алюминий Железо Магний Титан Медь Никель Олово Цинк Свинец Серебро Золото Платина

      46,6
      27,7
       8,0
       5,0
       2,1
     0,6 0,01 0,01
0,004 0,004
0,0016 0,00001 0,0000005 0,00000005

     Цветные металлы и сплавы на их основе широко применяются в промышленности и быту благодаря целому комплексу механических, физических и химических свойств.
     Без легких сплавов невозможно было бы развитие современной авиации. Удачное сочетание малого удельного веса с относительно высокой прочностью предопределило их широкое применение не только в авиастроении, но и в других областях техники. Изделия и полуфабрикаты из алюминиевых и магниевых сплавов, полученные литьем и обработкой давлением, являются важнейшими конструкционными материалами в транспортном машиностроении, в автотракторной промышленности, в судостроении, в приборостроении и т. д. Легкие сплавы применяют в гражданском строительстве, для бытовых целей. Высокая электропроводность и химическая стойкость чистого алюминия позволили широко использовать его в электротехнике и химическом аппаратостроении.
     Материалы с высокой удельной прочностью (сплавы Ti) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. Некоторые сплавы на основе титана по своей удельной прочности (прочности на единицу веса) значительно превосходят алюминиевые и магниевые сплавы и стали.

11

     Многими ценными качествами обладают такие цветные металлы, как медь, никель, и др. Медь после серебра является лучшим проводником тока, что обусловило её широкое применение в электротехнике. Медь служит также основой многих важных промышленных сплавов - латуней, бронз и др.
     Никель является основным компонентом большинства электротехнических, жаростойких, жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Весьма широко никель используют в гальванотехнике для защитных покрытий. Он является важнейшим компонентом в лучших специальных сталях.
     Тугоплавкие и благородные металлы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, золото, платина, серебро) и их сплавы являются важнейшими конструкционными материалами новой техники.


        1.2. Классификация сплавов по способу технологической обработки


     Большинство применяемых промышленных сплавов принято условно подразделять в зависимости от способа технологической переработки - на используемые в деформированном состоянии (катаном, прессованном, кованом) или же в литом виде. На рис. 1.1 схематически показаны области существования сплавов этих групп. К деформируемым сплавам обычно относятся такие, составы которых располагаются в интервале концентраций, не превышающих предельную растворимость в твердом состоянии при температуре эвтектического превращения (точка D). Опыт показывает, что сплавы с содержанием второго компонента ниже предела растворимости обладают наилучшей пластичностью и меньшей прочностью, что создает благоприятные условия для осуществления операций обработки давлением. Вместе с тем присутствие в структуре эвтектической составляющей в основном негативно отражается на пластических свойствах и это приводит к резкому снижению способности материалов к пластическому деформированию, а в некоторых условиях такая обработка становится вообще невозможной.



Рис. 1.1. Классификация сплавов по способу технологической обработки:
         I - деформируемые сплавы,
II - литейные сплавы,
III - сплавы, не упрочняемые термообработкой, IV- термически упрочняемые сплавы


12

     К литейным сплавам традиционно относятся такие, которые испытывают эвтектическую кристаллизацию. Основной технологический признак подобных материалов - хорошая жидкотекучесть, т. е. способность заполнять литейную форму. Этот показатель зависит от температурного интервала кристаллизации -чем более узким он оказывается, тем большей жидкотекучестью обладает материал. Поэтому наилучшую жидкотекучесть имеют чистые металлы и сплавы эвтектического состава, у которых температурный интервал кристаллизации является нулевым. Вместе с тем сплавы, находящиеся в виде твердых растворов (расположены левее точки максимальной растворимости D), уступают по жидкотекучести до- и заэвтектическим сплавам; причем тем заметнее, чем ближе последние располагаются относительно сплава эвтектического состава и имеют, следовательно, меньший интервал затвердевания. Однако чрезмерная доля эвтектики в структуре литейных сплавов считается нежелательной, поскольку это приводит к ухудшению механических свойств. Поэтому ее приемлемое содержание обычно составляет не более 15-20 %.
     В свою очередь деформируемые сплавы подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Условной границей между такими сплавами является точка С, характеризующая предельную растворимость при комнатной температуре. Понятно, что сплавы, лежащие слева, нельзя обработать на пересыщенный твердый раствор и поэтому они считаются термически неупрочняемыми. В то же время сплавы, расположенные правее, являются стареющими и они могут быть упрочнены за счет дисперсионного твердения.
     Термическая обработка является эффективным, а порой и единственным доступным средством воздействия на структуру материала и, следовательно, позволяет целенаправленно регулировать его свойства. Поскольку при последующем изложении сведений о различных группах наиболее известных металлов и сплавов на их основе придется пользоваться некоторыми понятиями термической обработки, то познакомимся с основными ее технологическими операциями. Оговоримся сразу, что детальное знакомство с теорией и практикой термической обработки является предметом рассмотрения в рамках специальной учебной дисциплины и поэтому в настоящем курсе дадим самые общие представления.

        1.3. Разновидности термической обработки

     Термической обработкой называется процесс теплового воздействия на металлы и сплавы с целью направленного изменения их структуры и свойств. Очевидно, что такое изменение должно быть достаточно устойчивым и способным сохраняться в течение всего срока службы материала.


13