Учебное пособие для самостоятельной подготовки по учебной дисциплине «Основы материаловедения».
учебно-методическое пособие на тему

ОГАПОУ «Белгородский машиностроительный техникум»

Учебное  пособие

для  самостоятельной подготовки по учебной дисциплине  «Основы материаловедения».

                 Выполнила преподаватель Шахбанова В.И

Белгород, 2016г

Содержание

Пояснительная записка…………………………………

Сталь. Классификация сталей………………………….

Стали обыкновенного качества………………………..

Углеродистые конструкционные качественные стали….

Углеродистые инструментальные стали………………….

Легированные стали………………………………………..

Легированные инструментальные стали………………….

Стали с особыми свойствами………………………………

Твердые сплавы……………………………………………..

Применение и назначение сталей………………………….

Латуни и бронзы…………………………………………….

Термическая обработка сталей…………………………….

Список используемой литературы…………………………..

Заключение…………………………………………………..

Пояснительная записка

        Материаловедение - наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связи между составом, строением и свойствами. Вся история человечества связаны с развитием материалов. Именно материалы дали названия целым эпохам: каменный век, бронзовый век, железный век.

     Важнейшим этапом развития стало использование железа и его сплавов. Ускорение технического прогресса, повышение эффективности производства во многом зависят от роста производства черных металлов, расширения их сортамента и улучшения качества.  В технике все металлы делятся на простые и сложные (сплавы). Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости и технологическим свойствам. Поэтому сплавы применяются в технике значительно шире простых металлов. Самое широкое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны.

      Данное учебное  пособие составлено  в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Основы материаловедения». Самостоятельная  подготовка  предполагает  изучение обучающимися  теоретического материала по данной учебной дисциплине.

В данном учебном  пособии  в краткой форме изложен теоретический материал по теме «Стали», рассмотрены примеры расшифровки марок сталей, даны схемы и таблицы по определению химического состава сталей, твердых сплавов, а также латуней и бронз.

Сталь. Классификация сталей

       Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные. К черным металлам относятся сталь и чугун, а к цветным сплавы меди,свинца, олова, и т.д. Сталь и чугун – это сплавы железа с углеродом. Сталь – содержание углерода  до 2,14% , а также и другие элементы,  постоянные: кремний и марганец – полезные, сера и фосфор – вредные примеси: до 1,5% фосфора и серы до 0,15%. Сера повышает красноломкость; фосфор – хладноломкость.

     Классификация  сталей:

1)По степени раскисления:

-спокойная (сп)

-полуспокойная (пс)

-кипящая (кп)

2) По области применения:

-конструкционная (для деталей машин)

Инструментальная (для режущего инструмента)

3) Зависимости от примесей:

- обыкновенного качества

-качественная

-высококачественная

-особовысококачественная

4) По содержанию углерода:

- низкоуглеродистая С до 0,25%,

- среднеуглеродистая С от 0,25% до 0,65%,

-  высокоуглеродистая С от  0,7% до 1,3%

Сталь - сплав Fe с С (где С до 2,14%)
Сталь - Fe + C + примеси(Мп + Si + 2вредные S + P)

Стали обыкновенного качества ГОСТ 380-94.

                                     Поставляется

• гр.А - по механическим свойствам (не пишется)
• гр.Б - по химическому составу
• гр.В - по механическим свойствам и химическому составу

                                      Марки стали:

Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6 (чем больше цифра, тем больше углерода)

                                      Способы раскисления:

• сп - спокойный(О2 - удален) (не пишется)
• пс - полуспокойный (О2 - удален частично)
• кп - кипящий (О2 - не удален)
• г - повышенное содержание Мn

        Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380-94 обозначаются следующим образом: Ст3сп, Ст5кп, Ст0 и др. Здесь Ст – буква, указывающие принадлежность стали к группе сталей обыкновенного качества. Следующая за ним цифра от 0 до 6 указывает на номер марки стали, чем выше цифра тем выше содержание углерода. В конце наименования стали приводятся буквы, определяющие степень ее раскисления (кп, пс, сп).

  В обозначении сталей с повешенным содержанием марганца после цифры добавляется буква Г. Например. СТ3Гсп, СТ5Гпс и др.

Для изготовления металлоконструкций применяются следующие стали:

Углеродистые конструкционные качества стали ГОСТ 1050-88

         Качественные конструкционные стали с соответствием с ГОСТ 1050-88 обозначаются двухзначным числом, указывающим примерное содержание углерода в стали в сотых долях.   Так сталь с содержанием углерода 0,07-0,14% обозначается 10; сталь с содержанием углерода 0,42-0,50% - 45, а сталь с углеродом 0,57 – 60.При этом для сталей с С < 0,2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначении добавляются буквы «кп» (для кипящей стали) и «пс» (для полустойкой стали). Для спокойных сталей буквы в концу их наименований не добавляются. Например: 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д.

   Качественные стали с повешенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначаются по ГОСТ 5520-79с добавлением буквы К в конце наименований стали: 15К, 18К, 22К и др.

Примерные маркировки:

Сталь 45 - углеродистая конструкционная, качественная, 0,45% - С (среднеуглеродистая)
Сталь 55А - углеродистая конструкционная, высококачественная, 0,55% - С (среднеуглеродистая)
Сталь А 12 - углеродистая конструкционная, качественная, 0,12% - С (низкоуглеродистая)

Углеродистые инструментальные стали ГОСТ 1435-74.

   Качественные углеродистые стали обозначаются буквой «У» и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стал, умноженное на 10. Так сталь У7 содержит 0,65-0,74% углерода, сталь У10 – 0,95-1,04%, а сталь У12 1,10-1,39%

   В обозначении высококачественных сталей добавляется буква «А». Например У8А, У12А и т.д. Кроме того, в обозначении как качественных, так и высококачественных может присутствовать буква Г, указывающая на повешенное содержание марганца: У8Г/ У8ГА.

Примерные маркировки:

У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13

У 7А, У 8А, У 9А , У 10А, У 11А, У 12А, У 13А

У 7 - углеродистая инструментальная, качественная, 0,7% - С (высокоуглеродистая)

У 11А - углеродистая инструментальная, высококачественная, 1,1% - С (высокоуглеродистая).

Легированные стали ГОСТ 4547-71.

       Легированная сталь – это сталь, где кроме постоянных примесей (марганец, кремний, сфера, фосфор) содержатся легирующие элементы.

 Классификация легированных сталей:

1. В зависимости от области применения:

- конструкционные

- инструментальные

- стали с особыми свойствами    

2) в зависимости от содержания легирующих элементов:

- низколегированные (до 2,5%)

- среднелегированные (от 2,5% до 10%)

- высоколегированные(свыше 10% до 50%)

3) по содержанию вредных примесей:

- качественные;

- высококачественные;

- особо качественные.

 Влияние легирующих элементов на свойства стали

Углерод – с повешением до 1,2% увеличивается твердость, прочность и упругость стали, но пластичность и сопротивление удару уменьшается, обрабатываемость резанием и свариваемость ухудшается.

Х –хром – повышает прочность и твердость, коррозийную стойкость. Много хрома – сталь нержавеющая.

Н – никель – повышает коррозийную стойкость, сопротивление удару.

В – вольфрам - увеличивает твердость и красностойкость. Металл дорогой, дефицит.

Ф – ванадий – повышает твердость и прочность

С – кремний – повышает прочность, упругость, плотность слитка.

Г – марганец до 1% - увеличивает твердость , износостойкость, стойкость против ударных нагрузок, улучшает обрабатываемость.

М– молибден – увеличивает упругость, антикоррозийные свойства, сопротивление окислению при высоких температурах.

Т – титан – повышает прочность и твердость, сопротивление коррозии.

S – сера – вредная примесь, приводит к красноломкости.

Газы – кислород, азот, водород– снижают прочность, ударную вязкость.

                                         Конструкционные легированные стали.

        В России, как и в других странах СНГ, принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей. Буква указывают на основные легирующие элементы, Включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленного до целого числа (при содержании легирующего элемента до 1% цифра за соответствующей буквой не ставится). Процентное содержание углерода, умноженное на 100, ставится вначале наименований стали.

Обозначение основных легирующих элементов.

Примерные маркировки:

Сталь 12ХН -0,09-0,015% углерода 0,4-0,7% хрома, 0,5-0,8% никеля. Для того чтобы показать, сто в стали ограниченно содержание серы и фосфора (S<0,03% P<0,03%) и сталь относится к высококачественным, в конце ее обозначения ставят букву «А». Особовысококачественные стали, подвергнутые электротрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную отчистку от сульфидов и оксидов, обозначают через тире в конце наименования стали букву «Ш».

Например: 18ХГ-Ш.

Сталь 10 Х14 Н13МА - легированная, конструкционная, высококачественная,

 0,1% - С, 14% - хрома, 13% никеля, 1% молибдена (высоколегированная)

Инструментальные легированные стали

       Правила обозначения инструментальных легированных сталей ГОСТ 5950 в основном то же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода  так же указывается в начале наименования марки стали, но при этом умножается на 10. Если в инструментальной легированной стали содержание углерода около 1,0% то цифру в начале ее наименования не указывают.

Примерные маркировки:

4ХВ5МФ содержит 0,3-0,4% углерода,2,2-3% хрома, 4,5-5% вольфрама, 0,6-0,9% молибдена , 0,6-0,9% ванадия.

ХВГ содержит 0,9-1,05% углерода, 0,9-1,2% хрома, 1,2-1,6% вольфрама, 0,8-1,1% марганца.

9Х 12Ф - легированная, инструментальная, качественная, 0,97% С, 12% - хрома, 1% - ванадия, (высоколегированная)

ХВГ - легированная, инструментальная, качественная, 1% - С, 1% - хрома, 1% - вольфрама, 1% - марганца.

Стали с особыми свойствами

 Инструментальные быстрорежущие стали ГОСТ 18265-73

   Обозначение марок быстрорежущих сталей начинается с буква Р и цифры, указывающей среднее содержание вольфрама в стали.

   Далее следуют буква и цифры, определяющие массовые доли других элементов.  Отличие от легированных сталей в наименовании быстрорежущих не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4,0% во всех марках, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия).

Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случаи, если содержание ванадия составляет более 2,5%. Быстрорежущие стали все высококачественные.

Примерные маркировки:

Р6М5 содержит 0,82-0,9% углерода, 3,8-4,4% хрома, 4,8-5,3%молибдена, 1,7-2,1% ванадия, 5,5-6,5%вольфрама.

Р6АМ5Ф3 содержит 0,95-1,05% углерода, 3,8-4,3% хрома, 4,8-5,3% молибдена, 2,3-2,7% ванадия, 0,05-0,1% азота, 5,7-6,3 вольфрама.

Р6М5 - легированная, инструментальная, высококачественная, 1% углерода,

6% вольфрама, 5% - молибдена, быстрорежущая   

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали.

   Это высокохромистые стали, легированные никелем; титаном; молибденом и др. применяют для деталей, работающих в агрессивных сферах. Наименование коррозионно-стойких (нержавеющих), жаростойких и жаропрочных сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоит из цифр и строится по тем же принципам, что и конструкционные легированные стали. В обозначении литейных коррозионностойких сталей такого вида добавляется буква Л. В том случае, если стали  получены методом электрошлакового переплава, к их наименованиям добавляется через тире Ш.

Твердые сплавы ГОСТ3882-74

Твердые сплавы получают спеканием порошка карбида вольфрама, титана, тантала и связующего порошка кобальта. Их применяют для изготовления пластин режущего инструмента.

Виды твердых сплавов    

1.Вольфрамокобальтовые (ВК).

2.Титановольфрамовые (ТК).

3.Титанотанталокобальтовые (ТТК)

Примерные маркировки твердых сплавов

                                 Применение и назначение сталей

     1. Стали обыкновенного качества – наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора. Из них изготавливают 80% проката: уголок, швеллер, пруток, рельсы, тавры, двутавры, трубы и т д, работающие при невысоких напряжениях. Их применяют для строительных и других  сварных, клепаных и болтовых конструкций. Интервал температур от

- 40 С до + 425 С.

    2.  Качественные углеродистые стали. К сталям этой группы предъявляются более высокие требования относительно содержания вредных примесей (серы и фосфора). Используют для деталей машиностроения, а также для трубопроводов, паронагревателей, коллекторов, работающих при температуре от -40 С до +450 С.

3.Конструкционные низколегированные стали. Применяют для сварных конструкций, магистральных нефте - и газопроводов, для армирования ж/бетонных конструкций и деталей машин. Интервал температур от

-70 С до + 450 С.

4.Коррозионностойкие стали. Это стали, содержащие хрома 12% и более. Бывают хромистыми и хромоникелевыми. Применяют для изготовления сварной аппаратуры, работающей в растворах азотной, фосфорной и уксусной кислоты, также в растворах щелочей и солей.

Латуни

Легирующие добавки: 

О-олово                Мг-магний           Ср-серебро

С-свинец                Ти- титан             Внм-вольфрам                                

Ж-железо                Н-никель              Ви-висмут

Мц-марганец                             Су-сурьма            Мш-мышьяк        

А-алюминий                               В-ванадий             Ф-фосфор                                            

Примерные маркировки латуней:

Л 56 –латунь: 56% - меди,  остальное Zn

ЛМцСО-60-2-3-1- латунь: 60% -Cu, 2%-Mn, 3%-Pb,  1%Sn остальноеZn                                                                                                                  

Бронзы

Бронза - сплав Cu + Mn + Al + Fe +Pb+Be и тд.

Примерные маркировки бронз

Бр А Мц Ж -10-2-2–бронза: 10%-Аl, 2% -Mn, 2% -Fe, остальное Cu.

Термическая обработка сталей

Термической обработкой (ТО) стали называется изменение

внутренней структуры металла под действием температуры.

Результаты ТО зависят от следующих операций:

1.нагрева стали до определенной температуры;

2.выдержке при заданной температуре определенное время ;

3.различных способов охлаждения.

Виды ТО:

1. Закалка,
2. Отпуск
3. Отжиг.
4. Нормализация

Закалка – нагрев стали до 910 С, выдержка при этой температуре и

быстрое охлаждение в воде или масле.

Углеродистые стали охлаждают в

воде, а легированные в масле. Закалке могут подвергаться стали с

содержанием углерода не менее 0,3%, т.е низкоуглеродистые стали

закалке не подвергаются.

  Отжиг – вид термической обработки, заключающийся в нагреве до

                Т=910 С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении вместе с

                печью. Получают устойчивую структуру, свободную от остаточных

                напряжений.

                               Отпуск - вид термической обработки, заключающийся в нагреве до

               Т=723 С, выдержке при этой температуре и охлаждении до комнатной

               температуры. После отпуска сталь увеличивает пластичность и вязкость,

               уменьшаются напряжения в стали.

                                   Нормализация - вид термической обработки, заключающийся в

                нагреве до Т= 1130 С, выдержке при этой температуре до полного нагрева и

                изделия и охлаждении на воздухе до комнатной температуры. Применяют для

                устранения внутренних напряжений в сварных швах, а так же подвергают поковки, штамповки.

Заключение

      Данное учебное  пособие составлено с целью облегчения обучающимися изучения курса "Основы материаловедения" при сокращенном количестве аудиторных часов. Курс представлен в виде опорных конспектов, логических схем и таблиц, где материал расположен в порядке изучения основополагающих тем. Предполагается, что данное учебное  пособие будет являться дополнительным материалом к лекционному курсу по данной дисциплине.

          Такие учебные  пособия расширяют рамки обычной работы с конспектом или учебной литературой, т е увеличивается возможность развития творческих способностей каждого обучающегося и использования межпредметных  знаний.

Учебное пособие может  быть рекомендовано  для использования в профессиональных  образовательных организациях СПО по  основам материаловедения.

Список используемой литературы:

 1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): 10-е изд., стер.-М.:

Академия, 2013. – 288с.

2.Барановский Г.Г. , Справочное пособие по материаловедению (металлообработка), 4-е изд.,-М.: Академия, 2013.

3.Заплатин В.Н., Справочное пособие по материаловедению (металлообработка), 4-е изд., перераб.-М.: Академия, 2012.-256 с.

Тесты для самоконтроля

1. Чугун- это сплав железа с углеродом:

1. до 0,25%
2. 1 %
3. от 2,14%    до 6,67%
4. 0,7% - 1,3%
5. 25%

2. Сталь - это сплав железа с углеродом, где углерода:

1. 50%
2. От 2,14%- до 6,67%
3. 1 %
4. до 2,14 %
5. до 0,25%

3. Качество стали зависит от количества:

1. углерода;
2. водорода;
3. цинка;
4. вредных примесей;
5. легирующих добавок

4.Выбери вредные примеси:

1. Углерод, водород
2. Марганец, фосфор
3. Сера, кремний
4. Сера, фосфор

5. Какая из сталей обладает наилучшей свариваемостью (обрабатываемостью резанием):

1. ХВГ;
2. Сталь 08;
3. У7;
4. Сталь 60;
5. Р6М5.

6. Выбрать нержавеющую сталь:

1. Р9;
2. ВК6;
3. ВСт.З
4. Сталь 08X12Н4В
5. Сталь 38Х7НМ

7.         Определить высококачественную сталь:

1. 9ХВГ
2. Ст.4кп
3. Р6М5
4. Сталь А 12
5. У10

8. Определить быстрорежущую сталь:

1. Сталь60
2. Р6М4ФЗ
3. Ст.5кп
4. Сталь А10
5. У8

9. Выбрать шарикоподшипниковые стали:

1. Р6МЗФ;
2. 55Х4В-Ш;
3. У13А;
4. ШХ15;
5. Сталь45.

10. Выбрать сталь углеродистую инструментальную:

1. Сталь А12
2. Сталь50
3. У10
4. Р15МФА
5. 40Х6Г4

11. Низкоуглеродистая сталь содержит углерода:

1. До 0,25%

1. до 2,14 %
2. 0,7%- 1,3%
3. 0,25%-0,65%
4. более 1%

12. Выбрать низкоуглеродистую сталь:

1. Сталь35
2. Сталь 13
3. У7
4. Сталь ХВГ
5. Р6М5

13. Сталь среднеуглеродистая содержит углерода:

1. до 0,25%
2. более 1%
3. от 0,25% до 0,65%
4. до 10%
5. 2,14%

14. Высокоуглеродистая сталь содержит углерода:

1. более 10%
2. до 1 %
3. от 0,7% до 1,3%
4. до 0,65%
5. 25%

15.  Выбрать высокоуглеродистую сталь:

1. У10
2. Сталь 45
3. Сталь 10А
4. Сталь 08Х4ВГ
5. Сталь25

16. Выбрать низколегированную сталь:

1. 9ХМФА
2. 9ХВГ
3. ХНМ
4. 08СГ
5. 4Х12Н7

17.Выбрать высоколегированную сталь:

1. ХВГ
2. 4Х14В5А
3. Р9
4. 35Х2НМА
5. 35ХВГ-Ш

18. Сталь называется нержавеющей, если она содержит:

1. Углерода 1 %
2. железа 50 %
3. хрома более 12%
4. никеля 3%
5. серы 0,5%

19.        Легированная сталь-это сталь, содержащая :

1. вредные примеси
2. легирующие добавки
3. углерода более 2,14 %
4. хрома более 12 %
5. углерода 1%

20. Выбрать сталь обыкновенного качества:

1.Ст 0

2.У7

3.Сталь 45

4.Сталь Р6М5

5.ХВГ

21.Выбрать сталь качественную:

1.Р6М5

2.Сталь 50А

3.4Х4М6Ф-Ш

4.Сталь45

5.Ст. 4кп

22.Выбрать сталь особовысококачественную:

1.Ст.5Гпс

2.Р18

3.Сталь55А

4.35Х5М4Ф-Ш

5.ШХ15

23.        Изменение внутренней структуры стали под действием
температуры называется:

1.электропроводностью

2.термообработкой

3.теплопроводностью

4.жидкотекучестью

5.плавлением

24.   При закалке охлаждение происходит:

1. в воде или в масле
2. на воздухе
3. в газах
4. в растворах солей
5. в азоте

25.   Выбрать сталь для закалки:

1. Сталь 08
2. Сталь 10
3. Сталь50
4. Сталь 12А
5. Сталь 08Х

26. Закалке подвергаются стали с содержанием углерода:

1. до 0,25%
2. не менее 2,14%
3. 2,14%-6,67%
4. не менее 0,3 %
5. 0,1 %

27. Способность воспринимать закалку называется:

1. отжиг
2. нормализация
3. прокаливаемость
4. отпуск
5. ликвацией

28. Латунь – это сплав:

1. Меди с железом;

2. Меди с алюминием;

3. Меди с цинком;

4. Цинка с оловом;

5. Железа с углеродом;

29. Латунь содержит цинка:

1. 10%;

2. 40-45%;

3. 80%;

4. 12%;

5. 99%;.

30. Простая латунь содержит:

1. Медь и цинк;

2. Медь и примеси;

3. Железо и цинк;

4. Никель и вольфрам;

5. Медь и легирующие добавки;

31. Выбрать простую латунь:

1. Л Мц-60-3;

2. Л-55;

3. ЛАЖО-56-2-3-1;

4. Ст.5

5. ВК10;

32.. Бронза-это сплав:

1. Железа с углеродом;

2. Меди с цинком;

3. Вольфрама с кобальтом;

4. Углерода с алюминием;

5. Меди с никелем;

33. Выбрать бронзу с содержанием меди 87%:

1. Бр.АСЖ-3-7-3;

2. Бр. Мц Т-2-2-1;

3. Бр.Ж А- 3-4;

4. Бр. Мц Т О-1-3-2;

5. Бр. А-5;

34. Выбрать сплав на основе алюминия:

1. Сталь;

2.Чугун;

3. Латунь;

4. Силумин;

5. Баббиты;

35. Основу твердых сплавов составляют:

1. Растворы металлов;

2. Карбид вольфрама;

3. Сплавы меди;

4. Расплавы солей;