Для изготовления деталей машин применяют различные материалы – металлические и неметаллические. Правильный выбор материала для конструируемой детали имеет большое технико-экономическое значение. Общими предпосылками выбора материала детали являются эксплуатационная надежность, технологичность и экономичность. Наиболее распространенными материалами машиностроения являются сталь, чугун, алюминиевые и медно-цинковые сплавы, бронзы и различные виды пластмасс.
Сталь (углеродистая и легированная) – основной материал машиностроения. Примерная классификация стали по применению и химическому составу схематично изображена на рис. 9.
Рисунок 9
В таблице 2 (см. приложение) даны физико-механические свойства сталей, получивших наибольшее применение в машиностроении, с примерами их применения.
Сталь углеродистая обыкновенного качества, поставляемая по механическим свойствам, обозначается так: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, …, Ст6. Нумерация этих сталей производится в порядке возрастания их твердости, пределов прочности и текучести и снижения пластичности.
Сталь углеродистая, качественная конструкционная обозначается так: сталь 10, сталь 15, сталь 20, …, сталь 55 и т.д., где число 10, 15, 20, …, показывают примерное содержание углерода в сотых долях процента. Качественная углеродистая конструкционная сталь с повышенным содержанием марганца обозначается так: сталь 15Г, сталь 20Г и т.д.
Сталь легированная конструкционная обозначается так: сталь 15Х, сталь 35Х, сталь 40ХН3А и т.д., где первые две цифры (15, 35, 40 и т.д.) дают примерное содержание углерода в сотых долях процента, а последующие буквы и цифры указывают на легирующий элемент и его примерное процентное содержание. Так, хромоникелекремнистая сталь 15Х13Н7С2А содержит примерно 0,15% углерода, 13% хрома, 7% никеля и 2% кремния; буква А указывает на высокое качество стали, т.е. снижение до минимума вредных примесей – серы и фосфора.
Отливки деталей любой конструкции из углеродистой и легированной сталей дополнительной обработке давлением (прокат, ковка, штамповка и т.д.) не подвергаются, а поэтому обладают меньшей прочностью.
Стальное литье обозначается так: сталь 35Л, сталь 45Л и т.д.
Физико-механические свойства сталей можно повысить применением объемной или поверхностной термической (нормализация, закалка, отпуск) или химико-термической (цементация, азотирование, цианирование и т.д.) обработки, а также поверхностным упрочнением (дробеструйная обработка, обкатка закаленными роликами и т.д.).
Чугун получил широкое распространение в машиностроении, особенно для получения литых заготовок деталей. По химическому составу, структуре и технологии изготовления чугун подразделяется на серый (СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36 и т.д.); антифрикционный (АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3 для серого чугуна; АВЧ-1, АВЧ-2 для высокопрочного чугуна и т.д.); высокопрочный (ВЧ 45-0, ВЧ 50-1,5 и т.п.); жаростойкий (ЖЧХ-0,8, ЖЧС-5,5 и т.д.). Числа, стоящие после буквенного обозначения марки чугуна, указывают значения его механических характеристик. Например, для серого чугуна первое число означает предел прочности при растяжении, второе - при изгибе (0,1 МПа); для ковкого или высокопрочного чугуна первое число означает предел временного сопротивления (0,1 МПа), а второе – относительное удлинение в процентах при разрыве.
Цветные металлы – медь, олово, цинк, свинец, алюминий, серебро, золото, платина, хром и т.д. – в чистом виде не нашли в машиностроении большого применения. Они применяются в основном в виде сплавов (латунь – медноцинковый сплав, бронза – безоловянная и оловянная, алюминиевые сплавы и т.д.), которые обладают лучшими физико-механическими свойствами, чем каждый из этих металлов в отдельности. Цветные металлы (за исключением сплавов) используют для покрытия металлических поверхностей в целях защиты материала от коррозии (лужение, цинкование и т.д.), повышения поверхностной твердости, износостойкости и антикоррозионных свойств стальных деталей (хромирование), или поверхностного повышения их жаростойкости (алитирование, т.е. насыщение поверхностного слоя стали алюминием) и т.д.
Неметаллические материалы – дерево, кожа, хлопчатобумажные ткани, резина, стекло, асбест, войлок, пластмассы и т.д. Среди неметаллических материалов все большее применение в машиностроении находят пластмассы.
Пластмассы (текстолит, гетинакс, асботекстолит, стеклопластики, нейлон, капрон и многие другие) обладают рядом положительных свойств: небольшой плотностью, химической стойкостью, водо-, масло- и бензостойкостью; высокими электроизоляционными, шумо- и вибропоглощающими свойствами; достаточной механической прочностью, не уступающей в ряде случаев прочности сплавов цветных металлов и чугуна; возможностью окрашивания в любой цвет; прозрачностью и малой трудоемкостью переработки в детали машин и т.д. Из пластмасс изготовляют корпуса аппаратов и машин; баки, цистерны, кузова автомобилей; корпуса судов, шлюпок, яхт; зубчатые колеса, вкладыши подшипников, трубы, лопатки компрессоров; строительные элементы жилых домов и промышленных сооружений; синтетические клеи, прочно склеивающие детали из любых материалов и т.д.
Приложение.
Таблица 2. Механические характеристики некоторых марок сталей
Марка стали
Толщ. листа
Предел прочн.
Предел
текуч.
Тверд.
по
Бринн.
НВ
Термо-
обработ.
Примерное назначение
Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)
Ст2
до 250
412-333
216-186
-
Дымогарные и жаровые трубы, заклепки, болты, валики, оси