Качество, надежность и производительность - с доставкой
[email protected]
Artizono

Руководство инженера по металлам: Выбор и применение

Последнее обновление:
9 июня, 2024
Поделитесь своим мнением:

Оглавление

Углеродистая и легированная сталь

Углеродистая сталь

(1) Классификация углеродистой стали

1) Углеродистая сталь может быть разделена на два основных типа в зависимости от ее применения: углеродистая конструкционная сталь и углеродистая инструментальная сталь.

Углеродистая конструкционная сталь используется для изготовления различных инженерных конструкций и деталей машин. Для изготовления инженерных конструкций обычно используется низкоуглеродистая сталь, которая обладает отличной свариваемостью и обычно не подвергается термообработке, а используется в горячекатаном состоянии.

Углеродистая сталь для деталей машин обычно содержит менее 0,6% углерода по весу и обладает хорошими механическими свойствами, требующими термической обработки перед использованием.

Углеродистая инструментальная сталь используется для изготовления различных режущих инструментов, измерительных приборов и пресс-форм. Она отличается повышенным содержанием углерода и после соответствующей термической обработки демонстрирует высокую прочность, твердость и износостойкость.

2) По содержанию углерода углеродистая сталь может быть разделена на три категории:

  • Низкоуглеродистая сталь: C<0.25%;
  • Среднеуглеродистая сталь: C=0,25% - 0,60%;
  • Высокоуглеродистая сталь: C>0.60%.

3) В соответствии с различным содержанием серы (S) и фосфора (P) углеродистая сталь может быть классифицирована на четыре марки:

  • Обычная сталь: S≤0.050%, P≤0.045%;
  • Качественная сталь: S≤0.035%, P≤0.035%;
  • Высококачественная сталь: S≤0.020%, P≤0.030%;
  • Сталь высшего качества: S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Классификация по способу выплавки.

В зависимости от типа печи, используемой для выплавки, углеродистая сталь может быть разделена на мартеновскую, конвертерную и электросталеплавильную. В зависимости от процесса раскисления во время выплавки углеродистая сталь также может быть разделена на убитую сталь, полуубитую сталь, сталь с ободком и специальную убитую сталь.

Марки, свойства и применение углеродистой стали

1) Общая углеродистая конструкционная сталь. Также известна как углеродистая конструкционная сталь, ее марка состоит из буквы, обозначающей предел текучести (Q), числового значения предела текучести, символов класса качества и символов метода раскисления, в таком порядке, например, Q235AF. Примеры марок, химического состава, механических свойств и областей применения углеродистой конструкционной стали общего назначения приведены в таблице 1-5.

2) Качественная углеродистая конструкционная сталь. Марка качественной углеродистой конструкционной стали обозначается двумя цифрами, которые представляют собой среднее содержание углерода в стали в процентах на десятитысячные доли.

Например, сталь 45 обозначает качественную углеродистую конструкционную сталь со средним содержанием углерода 0,45%. Примеры марок, химического состава, механических свойств и областей применения качественной углеродистой конструкционной стали приведены в таблице 1-6.

Таблица 1-5: Марки, химический состав, механические свойства и примеры применения углеродистой конструкционной стали общего назначения

Класс УровеньХимический состав (%) не болееРаскисление

Метод
Механические свойстваПример использования
WcWMnWsiWsWpσs/МПаσb/МПаδ5
(%)
Q195--0.120.50.30.0400.035F, Z195315~43033Конструктивные элементы, воспринимающие небольшие нагрузки (например, заклепки, шайбы, анкерные болты, шплинты, стяжные шпильки, арматура с резьбой и т.д.), штамповки и сварные детали
Q215A0.151.20.350.0500.045F, Z215335~45031
B0.045
Q235A0.221.40.350.0500.045F, Z235370~50026Тонкие пластины, профили, болты, гайки, заклепки, тяги, шестерни, валы, шатуны и т.д., Q235C, Q235D могут быть использованы в качестве важных сварных структурных компонентов.
B0.200.045
C0.170.0400.040Z
D0.0350.035TZ
Q275A0.241.50.350.0500.045F, Z275410~54022Детали, испытывающие средние нагрузки, такие как ключи, цепи, тяги, вращающиеся валы, звездочкиБолты, арматура с резьбой и т.д.
B0.210.045Z
C0.20.0400.040Z
D0.0350.035TZ

Примечание:

1. Обозначения в таблице: A, B, C, D - марки качества; F - кипящая сталь; Z - убитая сталь; TZ - специальная убитая сталь.

2. δ₅ означает, что длина образца для измерения растяжения в пять раз больше его диаметра, т.е. L0=5d0.

Таблица 1-6: Марки, химический состав, механические свойства и примеры применения высококачественной углеродистой конструкционной стали

Класс Химический состав (%)Механические свойства (не менее)Пример использования
WcWSiWMnσb/МПаσs/МПаδ(%)ψ(%)HBW
(горячий прокат)
   dK
(Дж/м²)
08
10
0.05~0.11
0.07~0.13
0.17~0.37
0.17~0.37
0.35~0.65
0.35~0.65
325
335
195
205
33
31
60
55
131
137
Штамповки различных форм, стяжные шпильки, прокладки и т.д.
200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156Стяжки, подъемные кольца, крюки и т.д.
350.32~0.390.17~0.370.50~0.805303152045197Валы, болты, гайки и т. д.
40
45
0.39~0.44
0.42~0.50
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
570
600
335
355
19
16
45
40
217
229
6×105
5×105
Шестерни, коленчатые валы, шатуны, муфты, валы и т.д.
60
65
0.57~0.65
0.62~0.70
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
675
710
400
420
12
10
35
30
255
255
Пружины, пружинные шайбы и т.д.

3) Углеродистые инструментальные стали.

Марки углеродистых инструментальных сталей обозначаются буквой T, за которой следует цифра. Буква Т означает углеродистую инструментальную сталь, а цифра - среднее содержание углерода в стали, выраженное в тысячных долях.

Например, T10 обозначает углеродистую инструментальную сталь со средним содержанием углерода 1,0%. Высокосортные углеродистые инструментальные стали высшего качества обозначаются буквой "A" после номера марки, например T10A. Более подробная информация о марках, химическом составе, механических свойствах и областях применения углеродистых инструментальных сталей приведена в таблице 1-7.

Таблица 1-7: Марки, химический состав, механические свойства и области применения углеродистых инструментальных сталей

КлассХимический состав (%)Термообработка Температура нагрева/°CТвердость

HRC
Примеры использования
WcWSiWMnWSWPЗакаливаниеОтпуск
T70.65~0.74≤0.40800~820
(Закалка воды)
180~20060~62Молотки, пилы, сверла, зубила и т.д.
T80.75~0.84≤0.40780~800
(Закалка воды)
180~20060~62Пробойники, инструменты для обработки дерева и т.д.
T10
T10A
0.95~1.04≤0.35≤0.40<0.03<0.035760~780
(Закалка воды)
180~20060~62Метчики, плашки, пильные диски, ножи для рубанка, маленькие пробойники и т.д.
T13
T13A
1.25~1.35≤0.40760~780
(закалка в воде)
180~20060~62Напильники, измерительные инструменты, скребки и т. д.

Легированная сталь

Легированная сталь, усовершенствованная разновидность углеродистой стали, улучшается за счет добавления определенных легирующих элементов, что повышает ее практичность и технологичность.

В качестве легирующих элементов обычно добавляют марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, бор и редкоземельные элементы. Эти элементы улучшают общие механические свойства стали, закаливаемость, термическую стабильность и коррозионную стойкость.

(1) Роль легирующих элементов в стали

1) Упрочнение в твердом растворе: Большинство легирующих элементов могут в той или иной степени растворяться в феррите, тем самым повышая прочность и твердость стали и одновременно снижая ее пластичность и вязкость.

Некоторые легирующие элементы, такие как Mn, Cr и Ni, при правильном соотношении могут не только укреплять феррит, но и повышать вязкость стали, тем самым обеспечивая ей отличные общие механические свойства.

2) Вторичное фазовое упрочнение: Когда сродство легирующего элемента к углероду больше, чем сродство железа к углероду, он может не только растворяться в феррите, но и образовывать карбиды и карбиды сплавов. Все эти компоненты обладают высокой прочностью и стабильностью, тем самым повышая прочность, твердость и износостойкость стали.

3) Усиление измельчения зерна: Такие элементы, как V, Ti, Nb, Zr, образующие прочные карбиды, и Al, образующий прочные нитриды, могут создавать стабильные частицы карбидов и нитридов. Эти частицы препятствуют росту зерен аустенита и измельчают зерна феррита. Мелкозернистая сталь обладает превосходными механическими свойствами, в частности, значительно повышает вязкость стали.

4) Повышение прокаливаемости стали: За исключением Co, все легирующие элементы, растворяющиеся в аустените, могут повышать стабильность переохлажденного аустенита, смещая кривую изотермического превращения вправо и снижая критическую скорость охлаждения стали.

Поэтому при охлаждении в той же закалочной среде может быть достигнута большая глубина закаленного слоя, или, если требуется такая же глубина закаленного слоя, может быть использована закалочная среда с меньшей охлаждающей способностью для уменьшения закалочного напряжения в заготовке, минимизируя деформацию и растрескивание.

5) Повышение стойкости стали к отпуску: Легирующие элементы оказывают значительное влияние на процесс отпуска стали.

Как правило, легирующие элементы делают мартенсит менее склонным к распаду при отпуске, препятствуют росту карбидов и повышают температуру, при которой происходят эти превращения. Это замедляет снижение твёрдость стали по мере повышения температуры отпуска, что повышает его отпускную стойкость.

6) Придание стали особых свойств: При добавлении в сталь определенного количества специфических легирующих элементов структура и свойства стали претерпевают уникальные изменения, в результате чего получается легированная сталь с особыми свойствами, например, нержавеющая сталь, жаропрочная сталь и износостойкая сталь.

(2) Виды легированной стали

В зависимости от назначения легированную сталь можно разделить на конструкционную легированную сталь, инструментальную легированную сталь и сталь со специальными характеристиками. В зависимости от содержания легирующих элементов легированная сталь может быть классифицирована на низколегированную сталь (wM<5%), среднелегированная сталь (wM=5%~10%), и высоколегированная сталь (wM>10%).

(3) Обозначения, механические свойства и применение конструкционной легированной стали

Конструкционная легированная сталь включает в себя сталь для инженерных конструкций и машиностроения. Обозначение конструкционной легированной стали обычно состоит из средней массовой доли углерода (выраженной в десятитысячных долях) + символ легирующего элемента + массовая доля легирующего элемента (выраженная в процентах), хотя бывают и исключения.

Примеры широко используемых обозначений конструкционных легированных сталей, их механических свойств и областей применения приведены в таблице 1-8.

Таблица 1-8: Примеры обозначений, механических свойств и областей применения широко используемых конструкционных легированных сталей

Категория СтальКлассТемпература термообработки/°CМеханические свойстваПример использования
ЗакаливаниеОтпускσb/MPaσs/MPaδ5(%)
Низколегированная высокопрочная конструкционная стальQ345 Q390--510~660 530~680345 39022
20
Мосты, корабли, сосуды под давлением и т.д.
Легированная науглероживающая сталь20Cr 20CrMnTi880 (вода, масло) 860 (масло)200
200
834
1079
539 83410
10
Шестерни, поршневые пальцы, шестерни автомобильных (тракторных) трансмиссий и т.д.
Закаленная и отпущенная легированная сталь40Cr 35CrMo850 (масло) 850 (масло)500
550
1000 1000800 8509
12
Шпиндели для станков, коленчатые валы, шатуны, шестерни и т.д.
Легированная пружинная сталь60Si2Mn 50CrVA850 (масло) 850 (масло)480
500
981
1274
785 11275(δ10) 10(δ10)Листовые рессоры, витые пружины и т.д. для автомобилей (тракторов)

1) Низколегированная высокопрочная конструкционная сталь. Этот тип стали получают из низкоуглеродистой стали с добавлением небольшого количества легирующих элементов (wM <5%). Обычно используется в инженерных конструкциях, сохраняет относительно низкую прочность, но обладает отличной пластичностью, вязкостью и свариваемостью. Доступная по цене и обычно используемая в горячекатаном состоянии, она при необходимости подвергается нормализующей обработке для повышения прочности.

Низколегированная высокопрочная конструкционная сталь используется в основном для изготовления мостов, кораблей, котлов, сосудов высокого давления, нефтепроводов и крупных металлоконструкций.

2) Легированная науглероженная сталь. Легированная науглероженная сталь относится к легированной стали, используемой после науглероживания. Этот тип стали имеет более низкую массовую долю углерода (0,15%~0,25%), что обеспечивает высокую прочность и вязкость сердцевины заготовки, а поверхность после науглероживания и низкотемпературного отпуска демонстрирует высокую твердость (58~64HRC) и стойкость к истиранию.

Легированная науглероженная сталь в основном используется для изготовления деталей, требующих высокой износостойкости и динамической нагруженности, таких как шестерни в трансмиссиях автомобилей и тракторов, распределительные валы в двигателях внутреннего сгорания и т.д. Обычно используются легированные науглероженные стали 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi и другие.

3) Легированная закаленная сталь. Этот тип стали обычно имеет содержание углерода 0,25%~0,45%. После закалки и высокотемпературного отпуска (отпуска) в ней образуется закаленная сорбитовая структура, обеспечивающая стали хорошее сочетание высокой прочности и вязкости.

В основном используется для изготовления деталей, выдерживающих значительные знакопеременные нагрузки и различные сложные напряжения, таких как шатуны, валы трансмиссии, шпиндели станков, шестерни, кулачки и т. д. на автомобилях и тракторах. Обычно используются такие легированные закаленные стали, как 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo и другие.

4) Легированная пружинная сталь. Легированная пружинная сталь относится к типу легированной стали, используемой при производстве различных пружин и упругих компонентов. Этот тип стали обычно имеет массовую долю углерода 0,50%-0,65% и содержит такие легирующие элементы, как Mn, Si, Cr и V.

После закалки и среднетемпературного отпуска она приобретает структуру закаленного троостита, демонстрируя высокий предел упругости и текучести. Обычно используются легированные пружинные стали 65Mn и 50CrV, а также другие.

(4) Марки, механические свойства и применение легированной инструментальной стали

Легированная инструментальная сталь, к которой относятся режущая инструментальная сталь, штамповая сталь и измерительная инструментальная сталь, образуется путем добавления легирующих элементов в углеродистую инструментальную сталь. Марки легированной инструментальной стали обычно состоят из средней массовой доли углерода в стали (выраженной в пермилле) + символ легирующего элемента + содержание легирующего элемента.

Если массовая доля углерода превышает 1,0%, она не указывается в марке. Примеры марок, состояния термообработки и применения широко используемых легированных инструментальных сталей приведены в таблице 1-9.

1) Легированная инструментальная сталь. Легированная инструментальная сталь используется для изготовления различных режущих инструментов, таких как токарные резцы, фрезы, сверла, метчики, плашки и т.д. К широко используемым легированным инструментальным сталям относятся низколегированная инструментальная сталь и быстрорежущая инструментальная сталь.

Низколегированная инструментальная сталь обычно имеет массовую долю углерода (wC) от 0,75% до 1,45%. Процесс термической обработки включает в себя закалку и низкотемпературный отпуск. Максимальная рабочая температура этого вида стали не превышает 300°C.

Она используется только для изготовления низкоскоростных режущих инструментов или инструментов с высокими требованиями к износостойкости, таких как рубанки, метчики, плашки, сверла и т.д. К распространенным маркам низколегированной инструментальной стали относятся 9SiCr, CrWMn и другие.

Быстрорежущая инструментальная сталь - это разновидность высокоуглеродистой высоколегированной стали, с массовой долей углерода (wC) от 0,7% до 1,6%, и содержит большое количество W, Cr, Mo, V и других легирующих элементов. Термическая обработка быстрорежущей инструментальной стали включает закалку с последующим многократным высокотемпературным отпуском, в результате чего образуется закаленная структура мартенсит + карбид.

После обычного отпуска твердость обычно составляет 63~66HRC, что свидетельствует о хорошей жаропрочности. Инструменты, изготовленные из быстрорежущей инструментальной стали, сохраняют высокую твердость около 60HRC при температуре резания 600°C, поэтому они подходят для высокоскоростной резки. К распространенным маркам относятся W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2 и другие.

Таблица 1-9: Примеры распространенных марок легированной инструментальной стали, условий термической обработки и областей применения

Виды сталиКлассыТермообработка и твердостьПример использования
ЗакаливаниеОтпуск
Температура нагрева / ℃Твердость HRCТемпература нагрева / ℃Твердость HRC
Низколегированная инструментальная сталь9SiCr
CrWMn
860~880 (масляная закалка)
820~840 (закалка в масле)
≥62 
≥62
150~200 140~16060~62 62~65Метчики, плашки, развертки и т.д.
Высокоскоростная инструментальная стальW18Cr4V
W6Mo5Cr4V2
1280 (масляная закалка)
1220 (масляная закалка)
60~65 ≥64560 
560
63~66 64~66Фрезы, токарные резцы, сверла, рубанки и т.д.
Горячедеформированная штампованная сталь5CrNiMo
3Cr2W8V
830~860 (закалка в масле)
1050~1100 (масляная закалка)
≥47 
>50
530~550 560~58030~47 45~48Большой Кузнечные штампыШтампы для горячего прессования, лезвия для горячих ножниц, штампы для литья под давлением и т.д.
Холодная обработка штампованной сталиCr12
Cr12MoV
950~1000 (закалка в масле)
1020~1040 (закалка в масле)
62~65 62~63180~220 160~18060~62 61~62Холод Вырубные штампыШтампы для обрезки, штампы для волочения проволоки, штампы для окантовки, штампы для бисероплетения и т.д.

2) Легированная штамповая сталь. Легированная штамповая сталь подразделяется на штамповую сталь для горячей обработки и штамповую сталь для холодной обработки.

Сталь для горячей обработки используется для производства различных штампов для горячей ковки, штампов для горячей экструзии, штампов для литья под давлением и т.д., с температурой поверхности полости выше 600℃ во время работы; сталь для холодной обработки используется для производства различных штампов для холодной штамповки, штампов для холодной высадки, штампов для холодной экструзии, штампов для протяжки проволоки и т.д., с рабочей температурой не выше 300℃.

Холоднодеформированная штамповая сталь имеет массовую долю углерода wc ≥1.0% и добавленные легирующие элементы укрепляют матрицу, образуют карбиды, повышают твердость и износостойкость стали. После закалки и низкотемпературного отпуска штамповая сталь для холодной обработки приобретает закаленный мартенсит и зернистую карбидную структуру. Обычно используются штамповые стали для холодной обработки: Cr12, Cr12MoV и др.

Массовая доля углерода в стали для горячих штампов обычно составляет 0,3%~0,6%, а добавление легирующих элементов позволяет повысить прокаливаемость, жаропрочность и сопротивление термической усталости стали.

После закалки и высокотемпературного или среднетемпературного отпуска штамповая сталь для горячего производства приобретает структуру закаленного сорбита или закаленного троостита. Обычно используются штамповые стали для горячей обработки: 5CrNiMo, 3Cr2W8V и т.д.

(5) Стали со специальными характеристиками

Специальные стали относятся к сталям с уникальными потребительскими свойствами. Существует множество типов специальных сталей, но в этом разделе мы расскажем только о тех, которые обычно используются в машиностроении: нержавеющая сталь, жаропрочная сталь и износостойкая сталь.

1) Нержавеющая сталь.

Нержавеющая сталь - это сталь, способная противостоять атмосферным или коррозионным средам. К распространенным типам относятся мартенситная нержавеющая сталь 12Cr13, ферритная нержавеющая сталь 10Cr17 и хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь 18-8.

Мартенситная нержавеющая сталь часто используется для изделий, требующих высоких механических свойств и относительно низкой коррозионной стойкости; ферритная нержавеющая сталь широко применяется в производстве азотной кислоты, азотных удобрений, фосфорной кислоты, а также в качестве материала, устойчивого к окислению при высоких температурах; аустенитная нержавеющая сталь - наиболее широко используемый в промышленности тип нержавеющей стали, но необходимо предотвращать межкристаллитную коррозию.

2) Жаропрочная сталь.

Жаропрочная сталь - это сталь, сохраняющая высокую химическую стабильность и термическую прочность при высоких температурах. Под химической стабильностью понимается способность стали противостоять различным химическим коррозиям при высоких температурах, а под термической прочностью - прочностные характеристики стали при высоких температурах.

Обычно используются такие жаропрочные стали, как перлитная жаропрочная сталь, мартенситная жаропрочная сталь и аустенитная жаропрочная сталь.

Перлитная жаропрочная сталь работает при температурах 450-550°C и используется в основном для изготовления деталей с небольшими нагрузками в энергетических устройствах, таких как стальные трубы котлов; мартенситная жаропрочная сталь работает при температурах 550-600°C и используется в основном для изготовления лопаток турбин, выпускных клапанов дизельных двигателей и т.д.; аустенитная жаропрочная сталь работает при температурах 600-700°C и может достигать 850°C, и используется в основном для изготовления турбин реактивных двигателей и выхлопных труб. К распространенным жаропрочным сталям относятся 12Cr1MoV, 42Cr9Si2 и 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Износостойкая сталь.

Износостойкая сталь обычно относится к высокомарганцевой стали, которая подвергается ударному упрочнению при ударных нагрузках. Ее основными компонентами являются: wc=1.0%-1.3%, wMn=111ТП3Т-141ТП3Т. Она отливается в форму и после термической обработки приобретает полностью аустенитную структуру, которая демонстрирует хорошую вязкость и износостойкость.

К распространенным высокомарганцевым сталям относятся ZGMn13, ZGMn13Cr2 и др. Высокомарганцовистая сталь широко используется для изготовления деталей, выдерживающих большие удары или давление, таких как ковши экскаваторов, гусеницы танков и т. д. Кроме того, высокомарганцевая сталь не становится хрупкой в холодном климате, что делает ее пригодной для использования в холодных регионах.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и алюминиевые сплавы

Чистый алюминий имеет серебристо-белый цвет, гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру и не подвергается аллотропным превращениям. Он характеризуется низкой температурой плавления (660℃), низкой плотностью (2,7 г/см3), низкая прочность (σb=80 МПа), высокой пластичностью (ψ=80%), отличной электро- и теплопроводностью.

Поэтому чистый алюминий не подходит для изготовления несущих конструкций. В основном он используется для производства проводов, кабелей, посуды с невысокими требованиями к прочности, а также различных алюминиевых сплавов. Чистый алюминий химически активен и склонен образовывать на своей поверхности прочную и плотную оксидную пленку, обеспечивающую ему хорошую коррозионную стойкость на воздухе и в пресной воде.

Алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые алюминиевые сплавы и литые алюминиевые сплавы в зависимости от их технологических характеристик. На рис. 1-41 показана схема классификации алюминиевых сплавов. Сплавы, расположенные слева от точки D, при нагревании существуют в виде однофазных твердых растворов с хорошей пластичностью, пригодных для обработки давлением.

Такие сплавы называются деформированными алюминиевыми сплавами. Сплавы, расположенные справа от точки D, содержащие большую массовую долю легирующих элементов и имеющие эвтектическую структуру, отличаются более низкой температурой плавления и хорошей текучестью, что делает их пригодными для литья. Такие сплавы называются литой алюминий сплавы.

Деформированные алюминиевые сплавы обычно перерабатываются в различные полуфабрикаты, такие как листы, прутки, трубы, проволока, профили и поковки. Среди деформированных алюминиевых сплавов сплавы серий Al-Mg и Al-Mn в основном имеют однофазную структуру и не могут быть упрочнены термической обработкой. Они характеризуются хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью и пластичностью, а также отличными низкотемпературными характеристиками.

Эти свойства делают их перспективными в таких областях, как аэрокосмическая промышленность. Сплавы серий Al-Cu-Mg и Al-Cu-Mn обладают сильной способностью к возрастному упрочнению и высокой прочностью, но их коррозионная стойкость и свариваемость хуже. В основном они используются в качестве конструкционных элементов. Сплавы серии Al-Mg-Cu-Zn обладают самой высокой среди алюминиевых сплавов прочностью при комнатной температуре, но они быстро размягчаются при высоких температурах и имеют низкую коррозионную стойкость.

В основном они используются для изготовления важных конструкций и деталей, испытывающих большие нагрузки. Сплавы серий Al-Mg-Si-Cu и Al-Cu-Mg-Fe-Ni обладают хорошей термопластичностью, литейной способностью и относительно высокими механическими свойствами. Они в основном используются для изготовления сложных деталей аэрокосмической техники и приборов, а также могут применяться в качестве жаропрочных сплавов.

Алюминиевые сплавы серий Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu и Al-Cu-Mg-Fe-Ni могут быть упрочнены путем термической обработки. Примеры широко используемых деформированных алюминиевых сплавов, их химический состав, механические свойства и области применения приведены в таблице 1-10.

Таблица 1-10: Примеры широко используемых деформированных алюминиевых сплавов, включая их обозначения, химические составы, механические свойства и области применения

КатегорияКодХимический состав (%)Термическая обработка

Теория
Механические свойстваПримеры применения
WCuWMgWMnWZnσb/МПаδ(%)Твердость
HBW
Антикоррозийный алюминиевый сплав5A054.5~5.50.3~0.6M2702370Детали средней грузоподъемности, заклепки, а также сварные нефтяные баки, нефтяные трубы и т.д.
3A211.0~1.61302330
Твердый алюминиевый сплав2A012.2~3.00.2~0.5CZ3002470Средняя прочность и рабочая температура ниже 100°C Материал заклепок
2A113.8~4.80.4~0.80.4~0.842018100Конструктивные детали и компоненты средней прочности, такие как рамы, лопасти винта, заклепки и т.д.
2A123.8~4.91.2~1.80.3~0.947017105Высокопрочные компоненты и детали, работающие при температуре ниже 150°C, такие как рамы, балки и т.д.
Сверхпрочный алюминиевый сплав7A041.4~2.01.8~2.80.2~0.65~7CS60012150Основные несущие конструкции, такие как авиационные балки, фермы, арматурные каркасы, шасси и т.д.
Кованый алюминиевый сплав2A501.8~2.60.4~0.80.4~0.842013105Поковки сложной формы и средней прочности, штамповки и т.д.
2A701.9~2.71.4~1.844012120Сложные поковки и конструкционные детали, работающие при высоких температурах, поршни двигателей внутреннего сгорания и т.д.
2A143.9~4.80.4~0.80.4~1.048019135Простые формы, поковки с высокой нагрузкой, штамповки и т.д.

Примечание: M - отжиг; CZ - закалка + естественное старение; CS - закалка + искусственное старение.

Медь и медные сплавы

Чистая медь имеет плотность 8,94 г/см³ и температуру плавления 1083℃. Она имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру и не имеет аллотропии. Чистая медь обладает хорошей электропроводностью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Хотя чистая медь обладает хорошей пластичностью, ее прочность и твердость низки, что делает ее непригодной для прямого использования в качестве конструкционного материала.

Она часто используется для производства проводящих и теплопроводящих материалов, коррозионностойких устройств, а также может служить сырьем для изготовления медных сплавов. Чистая медь не может быть упрочнена путем термической обработки. В зависимости от химического состава медные сплавы можно разделить на три категории: латунь, бронза и белая медь.

(1) Латунь

Сплавы меди с цинком в качестве основного легирующего элемента называются латунями. В зависимости от химического состава латунь можно разделить на простую латунь и специальную латунь. Простая латунь представляет собой бинарный сплав меди и цинка. Когда массовая доля цинка находится в пределах от 30% до 32%, ее структура представляет собой гранецентрированный кубический α твердый раствор, известный как однофазная латунь.

Этот тип латуни обладает отличной кузнечной способностью, свариваемостью и хорошей способностью к оловянному покрытию. Когда массовая доля цинка превышает 32% (но не более 45%), его структура представляет собой двухфазную структуру α+β, известную как двухфазная латунь.

Эта латунь обладает хорошей высокотемпературной пластичностью, пригодной для горячей обработки. Обозначение обычной латуни состоит из "Н+число", где Н означает латунь, а число указывает на массовую долю меди. Например, H80 - это обычная латунь, содержащая 80% меди и 20% цинка.

Специальная латунь образуется путем добавления к медно-цинковому сплаву других легирующих элементов. Помимо цинка, распространенными элементами сплава являются свинец, алюминий, марганец, олово, железо, никель, кремний и т. д. Добавление этих легирующих элементов повышает прочность, коррозионную стойкость и износостойкость латуни.

В зависимости от добавленных первичных легирующих элементов, специальные латуни можно разделить на свинцовые, алюминиевые, марганцевые и т.д. Обозначение специальной латуни состоит из "H+ символ первичного легирующего элемента + массовая доля меди + массовая доля первичного легирующего элемента".

Например, HPb59-1 представляет собой специальную латунь с массовой долей меди 59% и свинца 1%, остальная часть - цинк. Обозначения, химический состав, механические свойства и примеры применения широко используемых латуней приведены в таблице 1-11.

(2) Бронза

Бронза относится к медным сплавам с основными легирующими элементами, кроме Zn и Ni. Ее обозначение состоит из "Q+ символ основного легирующего элемента + массовая доля основного легирующего элемента". Если это литая бронза, то перед обозначением добавляется буква "Z". Бронзу можно разделить на обычную и специальную.

Таблица 1-11: Условные обозначения, химические составы, механические свойства и примеры применения широко используемых деформированных алюминиевых сплавов

КатегорияКлассХимический состав (%)Механические свойстваПримеры применения
WCuWPbWSiWЭлWMnσb/МПаδ(%)Твердость
HBW
Обычная латуньH9088~913205253Покрытия и украшения и т.д.
H6867~706603150Корпуса картриджей, конденсаторные трубки и т.д.
H6260.5~63.56003164Шайбы, пружины, винты и т.д.
Специальная латуньСвинцовая латуньHPb59-157~600.8~1.965016140Штифты, винты и другие штампованные или обработанные детали
Алюминий ЛатуньHAl59-3-257~602.5~3.565015150Высокопрочные, химически стойкие детали
Марганцевая латуньHMn58-257~601.0~2.070010175Детали для кораблей и слабого электричества

Обычная бронза относится к оловянным бронзам, основным легирующим элементом которых является олово (Sn). Массовая доля Sn имеет ключевое значение для характеристик оловянной бронзы. Оловянная бронза с массовой долей Sn от 5% до 7% обладает наилучшей пластичностью, подходит для обработки холодной и горячей деформацией. Оловянная бронза с массовой долей Sn более 10% обладает высокой прочностью, но плохой пластичностью, пригодна только для литья.

Оловянная бронза демонстрирует отличную коррозионную стойкость в атмосфере, морской воде и растворах неорганических солей, но хуже сопротивляется коррозии в аммиаке, соляной и серной кислоте.

К специальным бронзам относятся бронзы, не содержащие Sn. В зависимости от основного легирующего элемента ее можно разделить на алюминиевую бронзу, бериллиевую бронзу, кремниевую бронзу и т.д. Алюминиевая бронза имеет массовую долю алюминия от 5% до 10%, высокую химическую стабильность, хорошую коррозионную и износостойкость, повышенную прочность и пластичность, хорошую обрабатываемость.

В основном используется для изготовления высокопрочных износостойких деталей, работающих в морской воде или при высоких температурах. Бериллиевая бронза имеет массовую долю бериллия от 1,7% до 2,5%. Она может подвергаться растворному упрочнению и возрастной закалке, обладает высокой прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью.

Она также обладает особыми свойствами, такими как антимагнитность и отсутствие искрообразования при ударе. В основном она используется для изготовления упругих элементов в точных приборах и взрывозащищенных деталей в двигателях. Кремниевая бронза имеет массовую долю кремния от 3% до 4,6%, обладает более высокими механическими свойствами, чем оловянная бронза, и хорошими характеристиками при литье и холодной/горячей обработке.

Добавление никеля в кремнистую бронзу позволяет значительно повысить ее прочность и износостойкость, в основном используется в авиационной промышленности, а также в воздушных телефонных линиях большой протяженности, линиях электропередач и т.д. Номер марки, химический состав, механические свойства и примеры применения широко используемых бронз приведены в таблице 1-12.

(3) Серебро никеля

Никелевое серебро, также известное как белая медь, относится к категории медных сплавов, состоящих преимущественно из никеля. Оно делится на два типа: обычное никелевое серебро и специальное никелевое серебро.

Таблица 1-12: Примеры распространенных марок бронзы, химических составов, механических свойств и способов применения

КатегорияКлассХимический состав (%)Механические свойстваПример использования
WSnWЭлWSiДругиеσb/МПаδ(%)Твердость
Обычная бронзаQSn4-33.5~4.5Zn:
2.7~3.3
350~5504~4060~160
HBW
Эластичные элементы, износостойкие, анти

Магнитные компоненты
QSn6.5-0.16.0~7.0P:
0.10~0.25
350~45060~7070~90
HBW
Контактные элементы, пружины, износостойкие детали
Специальная бронзаБериллиевая бронзаQBe2Be:1.8~2.1
Ni:0.2~0.5
500~8503~4090~250
HV
Важные пружины, упругие элементы

Подшипники и т.д.
Кремниевая бронзаQSi3-12.7~
3.5
Мн:
1~1.5
80~180
HV
Пружины и детали, работающие в агрессивных средах

Обычное никелевое серебро, содержащее только медь и никель, обладает хорошей прочностью и отличной пластичностью. Оно может подвергаться как холодной, так и горячей обработке давлением. Его коррозионная стойкость превосходна, и он обладает высоким электрическим сопротивлением с малым температурным коэффициентом сопротивления.

В основном используется для изготовления деталей судовых приборов, деталей химического оборудования, медицинской техники и т.д. Марка никелевого серебра состоит из "B + средняя массовая доля Ni". Например, B19 - это обычное никелевое серебро с содержанием никеля 19%.

Специальное никелевое серебро производится путем добавления других элементов сплава к никелевому серебру. Свойства и применение никелевого серебра зависят от типа добавленного легирующего элемента. Например, марганцевое никелевое серебро с высокой массовой долей марганца может использоваться для производства термопарных проводов, измерительных приборов и т. д. Например, BZn15-20 представляет собой специальное никелевое серебро с содержанием кремния 15% и цинка 20%.

Титан и титановые сплавы

Чистый титан имеет плотность 4,5 г/см³ и температуру плавления 1667°C, подвергаясь аллотропии. При температуре ниже 882,5°C чистый титан имеет тесноупакованную гексагональную кристаллическую структуру, известную как α-Ti. Выше 882,5°C он имеет телесно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, называемую β-Ti.

Чистый титан (α-Ti) обладает относительно низким модулем упругости, хорошей ударопрочностью, высокой удельной прочностью и отличной пластичностью, но его механические свойства чрезвычайно чувствительны к примесям.

Основными характеристиками титановых сплавов являются высокая прочность, низкая плотность, хорошая жаропрочность и коррозионная стойкость. Однако они плохо поддаются обработке, чувствительны к износу и относительно дороги. Титановые сплавы делятся на α-тип (TA), β-тип (TB) и α+β-тип (TC) в зависимости от их отожженной структуры.

Примеры марок, химических составов, механических свойств и областей применения широко используемых титановых сплавов приведены в таблице 1-13.

(1) Титановые сплавы α-типа

Отожженная структура титановых сплавов типа α представляет собой однофазный твердый раствор α, и они не могут быть упрочнены термической обработкой. Эти сплавы обладают стабильной структурой, отличной коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью и формуемостью. Они также демонстрируют отличные сварочные характеристики и низкотемпературные свойства.

Они широко используются для производства обшивки самолетов, рам, дисков и лопаток компрессоров двигателей, корпусов турбин и контейнеров для сверхнизких температур.

Таблица 1-13: Примеры часто используемых титановых сплавов, их химические составы, механические свойства и области применения

КатегорияКлассГруппа химического составаТермическая обработкаМеханические свойства при комнатной температуреВысокотемпературные механические свойстваПримеры использования
σb/МПаδ(%) не менееТемпература испытания/℃Мгновенный

Прочность
/МПа
Сила выносливости  /МПа
Альфа-титановый сплавTA28Ti-3AlОтжиг70012Работа при температуре ниже 500℃

Такие детали, как ракетное топливо

Танки, корпуса авиационных турбин и т.д.
TA5Ti-4Al-0.005BОтжиг70015
TA6Ti-5AlОтжиг70012~20350430400
Бета-титановый сплавTB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlЗакаливание100020Работа при температуре ниже 350℃

Такие детали, как лопасти компрессора

Валы, диски и другие вращающиеся детали, испытывающие большие нагрузки, компоненты самолетов и т.д.
Закалка + старение13508
Альфа + бета титановый сплавTC1Ti-2Al-1.5MnОтжиг600~80020~25350350350Работа при температуре ниже 400℃

Такие детали, как компоненты двигателей с определенной высокотемпературной прочностью; низкотемпературные ракеты, топливные баки для жидкого водорода и т.д.
TC2Ti-4Al-1.5MnОтжиг70012~15350430400
TC3Ti-5Al-4VОтжиг9008~10500450200
TC4Ti-6Al-4VОтжиг95010400630580
Закалка + старение12008

①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后,试样发生断裂时的应力值。

(2) Бета-титановые сплавы

Бета-титановые сплавы имеют отожженную структуру бета-фазы. При закалке можно получить титановые сплавы с метастабильной бета-фазой. Эти сплавы можно подвергать термообработке для повышения прочности, они обладают высокой прочностью при комнатной температуре и хорошими свойствами холодной штамповки. Однако эти сплавы имеют высокую плотность, их структура недостаточно стабильна, и они обладают плохой жаропрочностью. Бета-титановые сплавы в основном используются для производства авиационных компонентов, которые не требуют высоких температур, но нуждаются в высокой прочности, например пружин, крепежа и деталей толстого сечения.

(3) Альфа + Бета титановые сплавы

Отожженная структура альфа + бета титановых сплавов представляет собой (альфа + бета) фазу, сочетающую в себе характеристики альфа и бета титановых сплавов. Они обладают превосходными комплексными механическими свойствами и являются наиболее широко используемыми титановыми сплавами. Например, TC4 (Ti-6Al-4V) широко используется в аэрокосмической и других промышленных отраслях.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Запрос БЕСПЛАТНОГО предложения
Контактная форма

Последние сообщения
Будьте в курсе новых и интересных материалов на различные темы, включая полезные советы.
Поговорите с экспертом
Свяжитесь с нами
Наши инженеры по продажам готовы ответить на любые ваши вопросы и предоставить быстрое предложение с учетом ваших потребностей.

Запросить индивидуальное предложение

Контактная форма

Запрос индивидуального предложения
Получите индивидуальное предложение с учетом ваших уникальных потребностей в обработке.
© 2024 Artizono. Все права защищены.
Получить бесплатную цитату
Вы получите наш квалифицированный ответ в течение 24 часов.
Контактная форма