Справочник по конструкционным материалам

СПРАВОЧНИК по конструкционным материалам


Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

К 175-летмю МГТУ им. Н.Э. Баумана

                СПРАВОЧНИК по конструкционным материалам




Под редакцией Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой







Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2006

               ББК 34.43
               УДК 669
                    С74

Издано при финансовой поддержке
Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России»

                      Рецензенты, д-р техн, наук, проф. В.В. Крымов; д-р техн, наук А.Г. Братухин; канд. техн, наук В.А. Поклад.

                      Авторы. Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов, Г.Г. Мухин, В.Н. Зи-неев, О.М. Ховова, А.Г. Рахштадт, В.Н. Глущенко, Е.В. Рябченко, Э.Ч. Гини, Е.С. Герш-ман, Н.А. Буше, А.П. Семенов, И.В. Васильев, Ж.П. Пастухова, Г.Б. Строганов, В.И. Силаева, И.Н. Фридляндер, А.А. Зибрев, А.Б. Арзамасов, Ю.А. Пучков, Е.А. Ульянин, Т.А. Панайоти, В.И. Третьяков, В.И. Солонин, В.И. Макарова, В.Н. Симонов, Б.Н. Арзамасов, Ю.А. Быков, Л.М. Соколенко, И.В. Кириллов, Г.И. Эскин, Е.И. Панов, В.Ф. Моисеев, В.И. Кучерявый


                        Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н. Арзама-С 74 сов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 640 с.: ил.

                        ISBN 5-7038-2651

                        Приведены сведения о составах, свойствах и назначении современных конструкционных материалов. Впервые классификация материалов и их описание представлены по основным эксплуатационным (служебным) требованиям, предъявляемым к деталям машин. Согласно этим требованиям материалы распределены по группам, каждая из которых определяется комплексом стандартных и нестандартных свойств, от которых зависит реализация эксплуатационных характеристик. Нетрадиционная классификация справочного материала поможет конструкторам и технологам на научно-технической основе выбирать материалы для деталей машин, приборов и приспособлений, а также назначать рациональные технологические процессы их обработки.
                        Для широкого круга инженерно-технических работников машиностроительной и приборостроительной промышленности; может быть полезен студентам втузов.




                                                                                    ББК 34.43
                                                                                    УДК 669



ISBN 5-7038-2651

                                                             © Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др., 2006
                                                             © Оформление. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006

        ПРЕДИСЛОВИЕ

    В справочнике представлены главным образом конструкционные материалы, предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, инженерных сооружений и изделий, которые в основном несут механические нагрузки, а в некоторых случаях находятся под воздействием окружающей среды и температуры.
    Выбор материалов для деталей машин и приборов определяется эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями. Эксплуатационные требования к свойствам материалов часто играют определяющую роль, хотя технологические и экономические требования тоже важны, особенно в условиях массового производства.
    Отличительная особенность предлагаемого справочника - классификация материалов по основным эксплуатационным характеристикам с учетом назначения. Принятая классификация поможет конструкторам и технологам лучше ориентироваться в выборе материалов для деталей машин и приборов. Такая же классификация принята в учебнике «Материаловедение», изданном в издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана и пользующемся большим спросом у читателей. Поэтому данный справочник является хорошим дополнением к учебнику. Он поможет студентам в решении материаловедческих задач при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также будет способствовать более глубокому усвоению курса «Материаловедение».
    В написании справочника принимали участие преподаватели высшей школы, научные сотрудники промышленных и исследовательских организаций, крупные специалисты в области материаловедения.
    Авторы благодарны всем, кто способствовал выходу в свет данного издания, - ФГУП ММПП «Салют», кафедре «Металловедение» МГГУ им. Н.Э. Баумана и Издательству МГТУ им. Н.Э. Баумана.

        1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

   Конструкционные стали в общем объеме производства предприятий черной металлургии занимают более 90 %.
   В зависимости от области применения конструкционные стали подразделяют на две основные группы: для строительных металлоконструкций и для деталей машин. Одновременно конструкционные стали подразделяют по уровню легированности на углеродистые, низколегированные и легированные.

        1.1. Углеродистые стали

    1.1.1. Углеродистые стали обыкновенного качества

   Производят стали в виде горячекатаного проката: листового (ГОСТ 14637-89), а также сортового и фасонного (ГОСТ 535-88), применяемого в основном для изготовления строительных конструкций и неответственных деталей машин.
   Согласно ГОСТ 380-94, выпускают стали следующих марок: СтО, Ст1 (кп, пс, сп), Ст2 (кп, пс, сп), СтЗ (кп, пс, сп), Ст4 (кп, пс, сп), Ст5 (пс, сп), Ст5Гпс, Стб (пс, сп). По степени раскисления стали подразделяют на кипящие (кп), полуспокойные (пс) и спокойные (сп). Химический состав сталей приведен в табл. 1.1, а их механические свойства - в табл. 1.2.

Таблица 1./. Химический состав углеродистых сталей обыкиовеииого качества (ГОСТ 380-94), % (мае.)

Марка     С        Мл          Si в стали          S    Р  
стали                     КП     ПС        СП     небо икс 
СтО    <10,23     ---         ---          ---    0,06 0.07
Ст1   0,06-0,12 0,25-0,5 0,05 0,05-0,17 0,12-0,30 0,05 0,04
Ст2   0,09-0,15 0,25-0,5 0,05 0,05-0,17 0,12-0,30 0,05 0,04
СтЗ   0,14-0,22 0,3-0,65 0,07 0,05-0,17 0,12-0,30 0,05 0,04
Ст4   0,18-0,27 0,4-0,7  0,07 0,05-0,17 0,12-0,30 0,05 0,04
Ст5   0,28-0,37 0,5-0,8  ---  0,05-0,17 0,15-0,35 0,05 0,04
Стб   0,38-0,49 0,5-0,8  ---  0,05-0,17 0,15-0,35 0,05 0,04
СтЗГ  0,14-0,22 0,8-1,1  ---  0,05-0,17 ---       0,05 0,04
Ст5Г  0,28-0,37 0,8-1,1  ---  0,05-0,17 ---       0,05 0,04

    Примечания: 1. В сталях Ст1 - Стб допускается не более 0,3 % Сг, 0,3 %Ni; 0,3 % Си; 0.08 % As; 0,01 % N. 2. В сталях, выплавляемых из керченских руд, допускается до 0,15 % As и 0,05 % Р. 3. В сталях, выплавляемых в электропечах, допускается не более 0,012 % N.

6

Таблица 1.2. Мехаинческне свойства листового проката из углеродистых сталей обыкновенного качества

                     ат> МПа, при а, мм  5S, %, при а, мм  Изгиб на 180° при а, мм  
                     £20    от 20 до     £20      >20                              
Марка стали  а,. МПа           100                         < 20   > 20             
                                  не менее                                         
СтО           £300   ---       ---       23       20       d=2a         d=3a       
Ст1кп        300-390 ---       ---       35       32        d=Q   d=a              
Ст1пс, Ст1сп 310-410 ---       ---       34       31        d=Q   d=a              
Ст2кп        320-410 215       195       33       30        d-0          d=a       
Ст2пс, Ст2сп 330-430 225       205       32       29        d=0   d=a              
СтЗкп        360-460 235       215       27       24       d=0,5a d= 1,5a          
СтЗпс, СтЗсп 370-480 245       225       26       23       d=0,5a </=l,5a          
СтЗГпс       370-490 245       205       26       23       d=0,5a <f=l,5a          
СтЗГсп       390-570 245       205       26       23        ---   d=2a             
Ст4кп        400-510 255       235       25  22 • ■         d=2a  d = 3a           
Ст4пс, Ст4сп 410-530 265       245       24       21       d=2a   d=3a             
Ст5пс, СтЗсп 490-630 285       265       20       17       cZ=3a        d=4a       
Ст5Гпс       450-590 285       265       20       17       d = 3a d=4a             
Стбпс, Стбсп  £590   315       295       15       12                     ---       

   Примечание. Здесь а - толщина листа; d - диаметр оправки.

    Прокат из СтЗпс и СтЗсп имеет гарантируемую ударную вязкость при температурах испытания до -20 °C (табл. 1.3). Хладостойкость горячекатаных сталей СтЗсп и СтЗкп, определенная по температуре порога хладноломкости /ₛₒ (температуре перехода из вязкого состояния в хрупкое, при котором в изломе доли вязкой и хрупкой составляющих равны между собой), составляет -10 °C и +50 °C соответственно. После нормализации этих сталей /₅₀ снижается до -30 °C и +10 °C соответственно [6].


7

Таблица 1.3. Ударная вязкость проката из углеродистых сталей обыкновенного качества

Марка                Толщина   Расположение образ- Тип образца по КС и, МДж/м2, не менее,  
стали  Вид проката проката, мм ца относительно оси ГОСТ 9454 - 78        при Г, °C         
                                    прокатки                         +20     -20          
                       5-9                               3        0,78/0,39      0,39     
       Листовой       10-25          Поперек             1        0,69/0,29      0,29     
СгЗпс                 26-40                              1          0,49/-                
СтЗсп   Сортовой       5-9                               3        0,108/0,49     0,49     
       и фасонный     10-25           Вдоль              1        0,98/0,29      0,29     
                      26-40                              1          0,88/-                
                       5-9                               3        0,78/0,39      0,39     
       Листовой       10-30          Поперек             1        0,69/0,29      0,29     
СгЗГпс                31-40                              1           49/-                 
        Сортовой       5-9                               3        0,108/0,49 0,49         
       и фасонный     10-30           Вдоль              1        0,98/0,29  0,29         
                      31-40                              1          0,88/-                
                       5-9                               3          0,78/-                
       Листовой       10-25          Поперек             1          0,59/-   ---          
Ст4пс                 26-40                              1          0,39/-                
Ст4сп   Сортовой       5-9                               3          0,98/-                
       и фасонный     10-25           Вдоль              1          0,88/-   ---          
                      26-40                              1          0,69/-                

    Примечание. В числителе - ударная вязкость в горячекатаном состоянии, в знаменателе -после механического старения.


    1.1.2. Углеродистые качественные стали


    Из углеродистых качественных сталей производят сортовой и калиброванный со специальной отделкой поверхности прокат в основном для изготовления деталей машин. Прокат изготавливают из сталей следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55 пп) и 60; диаметром или толщиной до 250 мм.
    Химический состав качественных сталей (табл. 1.4) по сравнению со сталями обыкновенного качества отличается меньшим содержанием вредных примесей серы и фосфора, а также примесей хрома, никеля, меди.
    Механические свойства проката в нормализованном состоянии приведены в табл. 1.5; после закалки и отпуска - в табл. 1.6.


8

Таблица 1.4. Химический состав углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88), % (мае.)

Марка стали     С        Si        Мп     Сг, не более
    08      0,05-0,12 0,17-0,37 0,35-0,65     0,10    
    10      0,07-0,14 0,17-0,37 0,35-0,65 0,15        
    15      0,12-0,19 0,17-0,37 0,35-0,65 0,25        
    20      0,17-0,24 0,17-0,37 0,35-0,65 0,25        
    25      0,22-0,30 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    30      0,27-0,35 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    35      0,32-0,40 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    40      0,37-0,45 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    45      0,42-0,50 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    50      0,47-0,55 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
    55      0,52-0,60 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        
58 (55 пп)  0,55-0,63 0,10-0,30   £0,20   0,15        
    60      0,57-0,65 0,17-0,37 0,50-0,80 0,25        

   Примечание. Стали также содержат, %: 0,040 S; < 0,035 Р; £ 0,30 Ni и £ 0,30 Си.


Таблица 1.5. Механические свойства листового и сортового проката из углеродистых качественных сталей в нормализованном состоянии*, не менее

                 Температура                   
             ыпп вл и rnraji! нем °т  °.     V 
Марк* v 1Ш1Л                                   
                °C (т-ЗО мин)      МПа       & 
     08              920          196 320 33 60
     10              900          205 330 31 55
     15              900          225 370 27 55
     20              890          245 410 25 55
     25              880          275 450 23 50
     30              880          295 490 21 50
     35              870          315 530 20 45
     40              860          335 570 19 45
     45              850          355 600 16 40
     50              850          375 630 14 40
     55              850          380 650 13 35
 58(55 пп)           850          315 600 12 28
     60              840          400 680 12 35

    Нормы относятся к прокату диаметром (толщиной) до £ 80 мм; для проката диаметром (толщиной) > 80 мм допускается снижение 5}на2%иуна5%.


9

Таблица 1.6. Механические свойства сортового проката из углеродистых качественных сталей в закаленном и отпущенном состонннн, не менее

Марка О                <з„ МПа, при d, мм  ат> МПа, при d, мм  6s, %, при d, мм   к с и,
стали Температура, С                                                              МДж/м2
      закалки* отпуска до 16 св. 16 до 40  до 16 св. 16 до 40  до 16 св. 16 до 40       
25    870        600    550       500       375       315       19   21           0,44  
30    860        600    600       550       400       355       18   20           0,38  
 35   850      600      630       600       430       380       17   19           0,31  
40      840      600    650       630       460       400       16   18           0,25  
45      840      600    700       650       490       430       14   16           0,19  
50    830        600    750       700       520       460       13   15                 
55    820        600    800       750       550       490       12   14           ---   
60    820      600      850       800       580       520       11        13            

* Охлаждение в воде.


        1.2. Низколегированные и легированные стали

    1.2.1. Низколегированные строительные стали

   Строительные стали (ГОСТ 19281-89) производят в виде толстолистового, широкополосного универсального, фасонного и соргового проката, а также гнутых профилей повышенной прочности (от = 265 ...440 МПа, классы прочности 265, 295, 315, 325, 345, 355, 375, 390, 440). Прокат применяют в основном для изготовления сварных конструкций, поэтому в зависимости от требуемого уровня свойств его поставляют в горячекатаном состоянии, после нормализации, термического улучшения или контролируемой прокатки.
   Для обеспечения свариваемости этих сталей регламентируют их углеродный эквивалент, определяемый по формуле
„ Мп V + Nb + Ti + Mo Ni + Cu
C.SC⁺T ⁺----------5-------⁺ -15 —
   Значение С, возрастает с повышением класса прочности стали от 0,38 до 0,44 %.
   С целью повышения хладостойкости' стали подвергают термической обработке или контролируемой прокатке, а для обеспечения стойкости против атмосферной коррозии дополнительно легируют 0,15-0,30 % Си.
   Химический состав наиболее типичных низколегированных сталей приведен в табл. 1.7. Суммарное содержание легирующих элементов в них не превышает ~ 2,5 % (мае.). Механические свойства этих сталей даны в табл. 1.8.


10