Н. А. ПЕРМИНОВ
Материаловедение
И технология конструкционных материалов для нетехнических
Направлений обучения
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФБГОУ ВО «Удмуртский государственный университет»
Институт гражданской защиты
Кафедра общеинженерных дисциплин
Н. А. Перминов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ НЕТЕХНИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ
ОБУЧЕНИЯ
Учебное пособие
Ижевск
УДК 620.6(075.8)
ББК 30.3я73
М341
Рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом
УдГУ.
Рецензент: д.т.н., профессор Т. Н. Иванова
Перминов Н. А.
М341 Материаловедение и технология конструкционных материалов для нетехнических направлений обучения: учебное пособие / Н. А. Перминов. – Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2016. – 139 с.
Учебное пособие для бакалавриатов технологических нетехнических направлений обучения высшего образования содержит ознакомительную информацию о видах и свойствах конструкционных материалов, технологиях изготовления из них заготовок и деталей механизмов и конструкций, а также об оборудовании для основных видов их обработки. Основное внимание уделено классификациям, эксплуатационным характеристикам, маркам, применению. На основании знаний, полученных из разделов, проводятся практические семинары и лабораторные работы. По желанию обучающегося достаточно легко самостоятельно перейти к более углублённому изучению любой приведённой в учебном пособии темы по более подробному учебнику.
УДК
ББК
© Н. А. Перминов, 2016 г.
© ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный
|
|
университет», 2016 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ................................................................... 6
ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 7
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ................................................. 8
1.1 Определения............................................................... 9
1.2 Классификация конструкционных материалов...... 10
2 СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ… 11
2.1 Физические свойства…………………………......... 11
2.2 Химические свойства…………………………........ 13
2.3 Механические свойства............................................ 13
2.4 Технологические свойства........................................ 16
2.5 Эксплуатационные свойства.................................... 18
2.6 Лабораторная работа №1 «Определение
плотности конструкционных материалов»...................... 19
2.7 Практическое занятие №1: семинар
«Свойства конструкционных материалов».....................23
3 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ....................................................................... 24
3.1 Конструкционные углеродистые стали
обыкновенного качества....................................................... 27
3.2 Конструкционные углеродистые стали качественные.......................................................................... 27
3.3 Конструкционные легированные стали.................... 28
3.4 Инструментальные углеродистые стали................... 30
3.5 Инструментальные легированные стали.................. 31
3.6 Специальные стали..................................................... 32
3.7 Чугуны.......................................................................... 35
3.8 Лабораторная работа № 2 «Определение марки
стали механическими испытаниями на сжатие»............. 36
3.9 Практическое занятие №2: семинар «Виды
и марки сталей и чугунов»............................................... ..... 41
3.10 Сплавы магния.......................................................... 42
|
|
3.11 Дуралюмины............................................................. 43
3.12 Силумины................................................................. 44
3.13 Сплавы титана.......................................................... 45
3.14 Латуни....................................................................... 47
3.15 Бронзы....................................................................... 48
3.16 Инструментальные сплавы цветных металлов.... 50
3.17 Практическое занятие №3: семинар «Виды
и марки сплавов цветных металлов»................................. 52
4 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................................................... 53
4.1 Термопластичные пластмассы................................ 53
4.2 Термореактивные пластмассы................................. 55
4.3 Резина......................................................................... 56
4.4 Древесина.................................................................. 58
4.5 Практическое занятие №4: семинар «Виды
органических конструкционных материалов».................. 63
4.6 Природные каменные материалы............................ 64
4.7 Каменное литьё......................................................... 66
4.8 Керамика................................................................... 67
4.9 Бетоны........................................................................ 69
4.10 Стекло...................................................................... 71
4.11 Лабораторная работа №3 «Определение
прочности цементно-песчаных растворов»..................... 73
4.12 Практическое занятие №5: семинар «Виды
минеральных конструкционных материалов»..................82
5 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.......................... 83
5.1 Дисперсные металлические композиционные материалы.............................................................................. 84
5.2 Волокнистые металлические композиционные
материалы.............................................................................. 85
5.3 Пластинчатые металлические композиционные материалы.............................................................................. 86
|
|
5.4 Волокнистые неметаллические композиционные
материалы............................................................................ 87
5.5 Практическое занятие №6: семинар «Виды
композиционных конструкционных материалов»...........88
6 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................. 89
6.1 Литьё........................................................................ 89
6.2 Пластическое деформирование............................. 92
6.3 Порошковая металлургия...................................... 94
6.4 Термическая обработка металлов........................... 95
6.5 Лабораторная работа №4 «Изготовление заготовок литьём в металлические формы».............................97
6.6 Практическое занятие №7: семинар «Технологии изготовления заготовок».................................................. 101
6.7 Точение..................................................................... 102
6.8 Фрезерование........................................................... 104
6.9 Сверление, зенкерование, развёртывание,
хонингование..................................................................... 106
6.10 Шлифование.......................................................... 110
6.11 Лабораторная работа №5 «Обработка
заготовок на металлорежущих станках».....................113
6.12 Практическое занятие №8: семинар «Технологии обработки заготовок на металлорежущих станках».. 121
7 ТЕСТ................................................................................. 122
8 ВОПРОСЫК ЭКЗАМЕНУ............................................ 129
9 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИВМЕХАНИЧЕСКОЙЛАБОРАТОРИИ............................ 131
10 ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫОТЧЁТОВ 132
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................ 139
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебники по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов», относящиеся к техническим направлениям обучения бакалавров имеют в своём содержании такие темы, как, например, диаграммы состояния сплавов металлов, доменный и сталелитейный процессы получения чугуна и стали из руды и тому подобное. Не подлежит сомнению, что эти темы помогают при изучении внутреннего состояния материалов и понимания тем самым их различных свойств. Однако, эти знания необходимы для специалистов, работающих на производствах, изготовляющих и обрабатывающих конструкционные материалы, а для работников нетехнических направлений, эксплуатирующих продукцию, изготовленную из этих материалов, они не обязательны так же, как не требуется строителю знать подробности технологии изготовления кирпичей, из которых он строит дом, водителю автомобиля – технологии выплавки металла, из которого изготовлен кузов его машины, а пилоту самолёта – технологии сборки деталей турбореактивного двигателя, пользователю компьютера – технологии изготовления плат системного блока.
Предлагаемое учебное пособие ориентировано на направления бакалавров, занимающихся использованием технических изделий, например, при ликвидации техногенных чрезвычайных ситуаций, аварий, катастроф или добыче и транспортировании нефти и газа, или другой деятельностью, осуществляющейся при помощи оборудования, приборов, инструмента, материалов и веществ, и им следует основательно знать свойства, виды, марки, правила применения материалов, технологии использования и эксплуатационные возможности деталей из этих материалов и машин из этих деталей.
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое учебное пособие состоит из десяти разделов, шесть из которых являются основными и содержат, кроме теоретической информации, пять лабораторных работ и восемь практических семинаров, а остальные разделы – вспомогательными. Все расположены после предисловия и введения. Первый раздел содержат информацию по применяемой в дисциплине терминологии и общей классификации материаловедения, знание которых позволяет видеть всё разнообразие конструкционных материалов, где каждый вид имеет свои, присущие только ему свойства. Разделы со второго по шестой рассказывают конкретно об общих и частных свойствах наиболее типичных конструкционных и других материалов, применяемых во всех производительных отраслях промышленности, сообщая их основные качественные и числовые характеристики. После каждого раздела, кроме первого, приведены методические указания по выполнению лабораторных работ, соответствующим какому-то одному из рассмотренных в разделе вопросов по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Здесь же изложены планы практических семинарских занятий по пройденным в разделе темам с перечнем вопросов. Вспомогательные разделы с седьмого по десятый отведены информации по оценочным средствам, содержащейся в: а) тесте с вопросами, в которых из четырёх предложенных вариантов нужно выбрать только один правильный; б) экзаменационных вопросах, на два из которых следует дать ответы на экзамене; в) изложению правил техники безопасности при выполнении лабораторных работ, которые необходимо выучить и соблюдать на занятиях, а также пересказывать их отвечая на вопросы преподавателя при сдаче отчётов по лабораторным работам; г) перечислению правил оформления и защиты отчётов по практическим заданиям и лабораторным работам. Заканчивается учебное пособие библиографическим списком.
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Для понимания основной цели изучения изложенных в этой книге разделов дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» достаточно прочитать её название и разобраться в терминах, из которых оно состоит.
«Материаловедение » – наука о материалах, из которых изготовлено всё вокруг нас, и основы знаний об их назначении и свойствах необходимы в любых видах профессиональной деятельности, эксплуатирующих машины, механизмы, станки, механические приспособления и оборудование, инструменты и изделия для правильного и рационального использования.
«Технология конструкционных материалов » – это та информация, которая даёт возможность самостоятельно проектировать из материалов какие-либо изделия и конструкции.
Из указанной цели вытекают две основные задачи, которые необходимо решить в процессе обучения.
Первая: научиться выбирать материал детали с необходимыми свойствами для заданных условий работы машины, механизма, конструкции
Вторая: научиться назначать оптимальную технологию изготовления заготовок и деталей с целью использования наилучших эксплуатационных свойств их материалов.
Основной причиной большого разнообразия видов конструкционных материалов является наличие различных уровней экономичности изготовления каждого из них, а также уровней качества требуемых свойств деталей.
Основные направления развития при разработке новых видов и марок конструкционных материалов: сделать их более лёгкими, прочными, экологичными, и экономичными.
Основным результатом изучения должны являться высшая оценка на промежуточной аттестации (экзамене), а также применение полученных знаний при разработке темы своей выпускной квалификационной работы бакалавра и в дальнейшей профессиональной деятельности.
Определения
Технология – совокупность методов, способов, процессов, приводящая в конечном счёте к изготовлению чего-либо, например, изделия, машины, механизма, конструкции.
Конструкционным называют материал, применяемый для деталей, из которых собирают различные изделия: машины, механизмы, конструкции.
Материал – вещество, применяемое для изготовления какой-либо детали.
Деталь – составная часть изделия: машины, механизма, конструкции, изготовленная из цельного куска материала.
Заготовка – некоторый объём материала определённой формы и размеров, из которого будет изготовляться деталь.
Изделие – будущий предмет потребления, находящийся в процессе проектирования, изготовления или испытания.
Конструкция – состав и взаимное расположение элементов какого-либо изделия, а также само изделие с таким устройством элементов.
Метод – определённый порядок теоретических действий, приводящий к достижению какого-либо теоретического или практического результата при осуществлении чего-либо.
Способ – определённый порядок практических действий, приводящий к достижению какого-либо практического результата при изготовлении чего-либо.
Процесс – последовательная смена состояний в развитии какого-нибудь явления.
Наука – система знаний о закономерностях развития природы, общества, мышления, а также отрасль таких знаний.
Техническая н аука – система знаний, относящихся к развитию системы знаний какой-либо отрасли техники.
Отрасль – отдельная область деятельности науки или промышленности.
Промышленность – комплекс предприятий, производств и научных учреждений, который охватывает разработку и изготовление одного из видов предметов потребления.
Классификация конструкционных материалов
Классификация – разделение какого-либо множества, обозначаемого одним термином, по объединяемому это множество признаку (свойству) на группы (классы, разряды).
Свойство – отличительный признак, особенность.
Качество – уровень существенного свойства объекта.
Признак – показатель, по которому можно узнать, отличить объект.
Классифицируют конструкционные материалы по виду вещества, из которого они состоят: их делят на металлические, неметаллические и композиционные (смешанные).
Металлическими называют конструкционные материалы, являющиеся сплавами металлов с другими веществами.
По содержанию металлов сплавы состоят из основного металла (железо, титан и другие) и легирующих компонентов, вместе образующих сплавы, например, сталь, дуралюмин, латунь, а по цвету – на чёрные сплавы (на основе железа) и цветные (на основе цветных металлов).
Неметаллические по природному происхождению делят на минеральные (камень, бетон, керамика, стекло) и органические (древесина, пластмассы, резина).
Композиционными называют конструкционные материалы, искусственно смешанные из не взаимодействующих химически между собой металлических и/или неметаллических компонентов (матрицы и наполнителя), каждый из которых придаёт материалу какие-то определённые свойства, причём матрица постоянна в пространстве материала, а наполнитель прерывен (порошки, волокна, пластины).
Знание классификаций конструкционных материалов учитывают при назначении последних в процессе конструирования для обеспечения необходимых свойств деталей с целью долгой и рациональной эксплуатации в изделиях: машинах, механизмах, конструкциях, а также для приведения в соответствие эргономических, экономических, экологических и эстетических показателей этих изделий.
2 СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Каждый материал имеет определённый комплекс свойств.
Необходимость знания свойств используемых материалов для изготовления деталей, воспринимающих прилагаемую извне нагрузку, обусловлена естественным желанием конструктора, строителя, производителя, пользователя, чтобы машина, механизм, конструкция, которые собирают из этих деталей, служили надёжно и долго.
Весь комплекс свойств любых конструкционных материалов делят на пять групп: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные.
Физические свойства
Все твёрдые вещества имеют свои физические свойства, то есть те, которые проявляются независимо от внутреннего строения вещества. Изучение конструкционных материалов предопределяет использование следующих из них.
Для металлических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность.
Для неметаллических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение.
Цвет – результат зрительного восприятия человеком отражения поверхностью материала определённого, присущего каждому веществу, своего участка светового спектра.
По цвету можно определить, например, вид металлического конструкционного материала (сплавы меди – красные и жёлтые, алюминия – белые, железа – чёрные), температуру его нагрева; или наличие химических дефектов на поверхности керамического конструкционного материала (они обычно имеют другой цвет, чем основной материал) и многое другое.
Плотность – свойство, характеризуемое массой вещества в стандартной единице объёма.
Металлы по величине плотности делят на лёгкие (магний 1740 кг / м3, алюминий 2720 кг / м3, титан 4500 кг / м3) и тяжёлые (хром 7140 кг / м3, железо 7850 кг / м3, медь 8940 кг / м3, молибден 10220 кг / м3, вольфрам 19300 кг / м3). Плотность материалов из минералов (керамика, стекло) находится в пределах соответственно 1600...1800 и 2400...2600 кг / м3. Плотность органических конструкционных материалов (полипропилен, древесина) находится ниже или на уровне плотности воды (около 1000 кг / м3, у некоторых (фторопласт-4) – до 2200 кг / м3).
Температура плавления – значение, при котором кристаллические вещества (металлы и минералы) при нагревании переходят из твёрдого состояния в жидкое.
У металлов можно выделить легкоплавкие (магний 651 °С, алюминий 658 °С,), средний диапазон (медь 1083 °С, железо 1590°С.) и тугоплавкие (титан 1668 °С, вольфрам 3410 °С). Конструкционные материалы из минералов (стекло, базальт) плавятся в диапазоне температур от 1000 до 1400 °С. Конструкционные материалы на основе органических веществ (полипропилен, полистирол) являются аморфными и при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние в диапазоне температур от 100 до 300 °С.
Теплопроводность – количественная характеристика интенсивности передачи материалом теплоты по своему объёму в направлениях меньшего её значения.
Самая высокая – у металлов: у меди в полтора раза выше, чем у алюминия и в пять раз выше, чем у железа. Теплопроводность конструкционных материалов из минералов в десятки раз, а из органических веществ в сотни раз ниже, чем у металлов.
Тепловое расширение – свойство любого вещества увеличивать свои размеры при нагревании и уменьшать при охлаждении. В наибольшей степени изменяют свои размеры органические конструкционные материалы (в 10...30 раз выше чем металлические (сталь) или минеральные (бетон).
Электропроводность – способность всех без исключения металлов и их сплавов проводить электрический ток. Наилучшая электропроводность у чистых металлов: серебра, меди и алюминия. Минеральные и органические конструкционные материалы не проводят электрический ток.
Химические свойства
К ним относятся свойства вещества, обусловленные его активностью на молекулярном и атомарном уровнях. Для конструкционных материалов наиболее важным являются два указанных ниже свойства, обеспечивающие их долгую и надёжную эксплуатацию.
Химическая стойкость – сопротивление вступлению вещества в химические соединения с другими веществами.
Каждое вещество имеет свой уровень химической стойкости, и для изготовления из них конструкционных материалов применяют те, у которых он более высок.
Коррозионная стойкость – сопротивление металла вступлению в химические соединения с кислородом (коррозии), в том числе разрушению под действием агрессивных компонентов окружающей среды.
Конструкционные материалы, имеющие наиболее высокий уровень коррозионной стойкости:
сплавы металлов (нержавеющие стали, латуни, бронзы, силумины, дуралюмины, титановые сплавы);
минеральные материалы (камни, керамика, стекло);
органические материалы (пластмассы).
Чем более стоек материал в химическом отношении, тем длиннее срок его службы при прочих оптимальных условиях.
Механические свойства
Способность конструкционного материала сопротивляться воздействию внешних сил состоит из одного или нескольких перечисленных ниже механических свойств: прочность, пластичность, твёрдость, упругость, ударная вязкость, выносливость. Значения предельных напряжений сведены в таблицы, приводимые в технических справочниках, их используют при теоретических расчётах размеров деталей.
Прочность – сопротивление разрушению от внешних нагрузок. Материал детали по разному сопротивляется различным видам нагрузок (например, растяжение и сжатие) и, следовательно, имеет отличные друг от друга числовые значения и обозначения прочности: временное сопротивление разрыву – σВ; растяжение – σ Р; сжатие – σ С; изгиб – σ И; кручение – σ КР; срез – σ СР; смятие – σ СМ. Измеряется в мегапаскалях (МПа). Буква греческого алфавита строчная, читается «сигма», индекс около неё читается русскими буквами, обозначающими начальные буквы видов нагрузок и произносятся полным названием вида нагрузки в родительном падеже.
Удельная прочность – характеристика конструкционного материала, являющаяся отношением прочности к плотности. Применяется для сравнения свойств материалов в случаях, когда важен малый вес детали (самолёто- и ракетостроение).
Пластичность – изменение формы физического тела под действием внешних сил без признаков разрушения и сохранение её после снятия действия сил. Наличие этого свойства позволяет изготавливать заготовки для деталей пластическим деформированием. Характеризуется двумя показателями:
относительное предельное равномерное удлинение 
, %. Буква читается «дельта», индекс около неё читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное»;
относительное предельное равномерное сужение 
, %. Буква читается «пси», индекс около неё читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное».
Твёрдость – сопротивление материала внедрению под нагрузкой в его поверхность другого физического тела. Наличие у материала детали этого свойства достаточной величины позволяет не разрушаться при абразивном изнашивании.
У мягких металлов и древесины твёрдость измеряют вдавливанием в них индентора – стального закалённого шарика и обозначают НВ (твёрдость по Бринеллю). В системе СИ измеряется в Н / мм2, что равно МПа; (старые единицы измерения кгс / мм2 и кгс / см2). «НВ » читается латинскими буквами и звучит «ашбэ».
Для твёрдых металлов в качестве индентора применяют алмазный конус и обозначают HRC (твёрдость по Роквеллу). Измеряется в условных единицах, обозначающих количество расстояния 0,02 мм в размере глубины лунки от вдавливания алмазного конуса в поверхность образца. «НRC » читается латинскими буквами и звучит «ашэрцэ». Единицы измерения не ставятся. Например HRC 60, где число – количество по 0,02 мм.
Твёрдость минералов определяют по специальной шкале минералов (шкале Мооса), в которой из десяти минералов номер 1 (тальк) является самым мягким и на нём легко сделать царапину ногтем, а каждый последующий (2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 - корунд) царапает предыдущий, а номер 10 (алмаз) является самым твёрдым и легко оставляет царапину на стекле
Твёрдость обозначается числом от 1 до 10. Единицы измерения не ставятся.
Упругость – восстановление первоначальной формы физического тела после прекращения действия внешней нагрузки. Каждый конструкционный материал имеет свою величину упругости, измеряемую модулем нормальной упругости Е (МПа), высокое значение которого говорит о высокой жёсткости материала, обеспечивающей весьма малые величины упругой деформации физического тела. Так у сталей Е = 200000 МПа, у меди и чугуна – 100000 МПа, стекло – 70000 МПа, бетон и древесина – 20000 МПа, пластмассы – 2000...5000 МПа, а у каучука Е = 20 МПа.
Ударная вязкость – сопротивление динамическим (ударным) нагрузкам. Обозначают КС (МДж / м2) и измеряют отношением работы А (МДж), затраченной на разрушение образца с полукруглым надрезом по середине длины при ударе, к площади поперечного сечения с надрезом F (м2) образца на специальном испытательном стенде. Наиболее высокое значение ударной вязкости – у сплавов металлов (сталей, содержащих никель). Высокие значения ударной вязкости конструкционного материала позволяют деталям, изготовленным из него, работать долго и надёжно при динамических колебаниях внешних нагрузок. У минеральных и органических материалов она весьма незначительна.
Выносливость – сопротивление материала детали усталости. Усталость присуща только твёрдым и хрупким материалам и является постепенным накоплением трещин при знакопеременных нагрузках в работающем сечении детали вплоть до разрушения. Предел выносливости σВ (МПа) – значение напряжения материала, при котором не происходит разрушения детали при любом количестве циклов нагружения. Обозначение предела выносливости при симметричной нагрузке – σ-1 (МПа). Высокое значение этого механического свойства весьма важно для вращающихся стальных валов, имеющих на себе насадные детали (шестерни, шкивы), передающие нагрузку.