Конструкционные металлы в автомобильной промышленности: чугун, сталь, цветные металлы и сплавы

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургский  Государственный университет 

сервиса и экономики

Старорусский  филиал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа:

 

Конструкционные металлы 

в автомобильной  промышленности:

чугун, сталь, цветные металлы и сплавы

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                        Выполнил:

                                                                        студент 4 курса, группы 41

                                                                        специальность 100101

                                                                        Кондратьев Сергей Викторович

                

                                                                        Проверил:

                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Старая Русса  – 2012 год

 

Содержание

 

1.     Конструкционные материалы……...…………………………….……………………… 3с.
2.     Классификация свойств конструкционных материалов………………………………. 3с.
3.     Чёрные металлы…………….…………………………………………………………….. 4с.

3.1.    Чугуны…………………………………………………………………………………….. 5с.

3.1.1. Серый чугун………………………………………………………………………………. 5с.

3.1.2. Белый чугун………………………………………………………………………………. 6с.

3.1.3. Половинчатый чугун……..………………………………………………………………. 6с.

3.1.4. Ковкий чугун………………………………………………………………………………  6с.

3.1.5. Высокопрочный чугун…………………………………………………………………… 6с.

3.1.6. Легированные чугуны……………………………………………………………………. 7с.

3.2.    Маркировка чугунов……………………………………………………………………… 7с.

4.     Сталь……………………………………………………………………………………….. 8с.
5.     Цветные металлы и сплавы…………………...…………………………………………. .9с.
1. Тяжёлые цветные металлы…………………………...…………………………………..10с.
2. Лёгкие цветные металлы………………………………………………………………… 10с.
1. Алюминий и его сплавы…………………………………………………………………. 11с.
2. Антифрикционные сплавы…………………………………………...…………………. 11с.

5.3.    Медь и её сплавы………………………………………………………………………… 12с.

6.     Припои……………………………………………………………………………………. 12с.
7.     Антифрикционные сплавы…………...…………………………………………………. 14с.

7.1.    Требования к сплавам……………………………………………………………………  15с.

8.     Список литературы……………………………………………………………………….17с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкционные материалы

Конструкционными материалами  называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Развитие техники предъявляет  новые, более высокие требования к существующим конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств.

 

2. Классификация свойств конструкционных материалов

1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов:
• Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);
• Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);
• Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);
• Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);
• Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.

• Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны);

• Плотность (масса единицы объема вещества);
• Температура плавления;
• Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);
• Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);
• Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);
• Магнитные (способность материала хорошо намагничиваться);
• Коэффициент объемного и линейного расширения.

3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.

• Литейные свойства;
• Ковкость (важно при обработке давлением);
• Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);
• Обработка резанием;
• Прокаливаемость;
• Закаливаемость.

4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.

5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.

• Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);

• Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);
• Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов- химикостойкость));
• Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).

Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производствах дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за большой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги, здесь выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.

При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы, и неметаллические материалы.

3. Черные металлы

К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в  зависимости от содержания углерода делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.

 

 

 

 

3.1. Чугуны

Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при  необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и  состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава – на легированные и нелегированные.

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.

3.1.1. Серый чугун

Наиболее широко применяемый вид  чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна -  более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Наличие графита улучшает условия  смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна  зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун  имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугуна  с ферритно-перлитной металлической основой. Серый чугун обладает хорошими литейными качествами, поэтому из него изготовляют детали автомобиля. Серый чугун хрупок, но достаточно хорошо обрабатывается. Детали из этого материала можно сваривать, растачивать.

В зависимости от формы графитных  включений серые чугуны классифицируются на:

• чугун с пластинчатым графитом;
• чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);
• чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);
• чугун с вермикулярным графитом.