Жылу энергетикасындағы конструкциялық материалдар

Дәріс 3. Конструкциялық материалдар. Көміртекті болаттардың сыныпталуы

Конструкциялық машина жасау материалдарына қойылатын талаптар әр түрлі болады. Конструкциялық материалдарды конструкциялық қасиеттері бойынша бөлуге болады: – болаттың серпімділік, созымдылық және циклдық беріктігін қамтамасыз ететін материалдар:

- ерекше технологиялық қасиеттерімен материалдар;

- тозуға төзімді материалдар;

- серпімділік қасиеті жоғары материалдар;

- тығыздығы төмен материалдар;

- салыстырмалы беріктігі жоғары материалдар;

- температура және жұмыс ортасының әсеріне тұрақты материалдар;

- ерекше физикалық қасиеттерімен материалдар (магнитті жұмсақ, магнитті қатты, ферромагнетиктер);

- ерекше жылулық қасиеттерімен материалдар;

- ерекше электрлік қасиеттерімен материалдар.

Болаттарды әр түрлі қасиеттері бойынша бөлуге болады: химиялық құрамы, сапасы, тотығу дәрежесі, тағайындалуы, құрылымы бойынша.

Химиялық құрамы бойынша болаттар көміртекті және легірленген деп бөлінеді.

Сапасы бойынша: әдеттегі сапасымен, сапалы, жоғары сапалы, аса жоғары сапалы болаттар. Болаттың сапасы металлургиялық процестен тәуелді болады және құрамындағы оттегі, азот, сутегі және зиянды қоспалар – күкірт пен фосфордың мөлшерімен анықталады. Әдеттегі сапасымен болаттардың құрамында 0,06 % S және 0,07 % Р, сапалыда – 0,035 S және 0,035 Р; жоғары сапалыда – 0,025 % S және Р көп емес; аса жоғары сапалыда – 0,015 % S және 0,025 % Р көп емес зиянды қоспалар болуы керек.

Өндіру әдістері бойынша мартендік, конверторлы (бессемерлі) және электр болаттары болып бөлінеді.

Тотығу дәрежесі бойынша:

- тыныш, жақсылап марганецпен, кремниймен және алюминиймен тотықтырылған, құйылманың жоғарғы бетінде шөгу қаяуы пайда болады, пайдалы өнімнің шығуы 85 – 90 %;

- қайнаған, тек қана марганецпен тотықтырылған; ҒеО қатаюы процесінде болаттағы көміртегімен әсерлесуі нәтижесінде СО газы бөлінеді. Газ көпіршіктері бетіне қалқып шығады және болатта қайнап жатқандай құбылыс байқалады; шөгу қаяулары болмайды, пайдалы өнімнің шығуы 95 –100 %, қайнаған болаттар тыныш болаттарға қарағанда арзан, бірақ газбен көп мөлшерде қанықтырылғандықтан, сапасы жағынан төмен болады;

- жартылай тыныш, марганецпен және алюминиймен тотықтырылған және тыныш пен қайнаған болаттар арасында орынды алады, болаттың пайдалы өнімінің шығуы 90 – 95 % құрайды.

Тағайындалуы бойынша болаттар:

- конструкциялық, машина тетікбөлшектерін, құрылыс конструкцияларын дайындауға арналған;

- аспаптық – әр түрлі аспаптырды: кесетін, өлшейтін, металдарды қысыммен өңдеуге, қорытпаларды балқыту және кристалдануына арналған аспаптарды жасау үшін қолданады;

- ерекше қасиеттерімен болаттар – арнайы физика – химиялық қасиеттерге ие болатын болаттар (жемірілуге төзімді, ыстыққа берік, ыстыққа тұрақты, магнитті және т.с.с.). Конструкциялық материалдарға қойылатын жалпы талаптар.

Механикалық жүктемелерге түсетін машиналар, аспаптар, инженерлік конструкциялар тетікбөлшектерді жасауға арналған материалдар – конструкциялық деп аталады. Машиналар мен аспаптардың тетікбөлшектері пошымдарының, өлшемдерінің, пайдалану жағдайларының әртүрлілігімен сипатталады. Олар статикалық, айналымды, соққы жүктемелерде, төменгі және жоғары температураларда, әртүрлі орталармен түйіспелі жұмыс істейді. Сөйтіп конструкциялық материалдарға қойылатын талапты анықтайды, олардың ішіндегі ең бастысы – пайдалану, технологиялық және экономикалық талаптар.

Пайдалану талабының маңызды мәні бар. Нақтылы машиналар мен аспаптардың жұмыс істеу қабілетін қамтамасыз ету үшін, конструкциялық материалдың конструкциялық беріктігі болуы тиіс. Пайдалану жағдайында материалдың сенімді, әрі ұзақ жұмыс істеуін қамтамасыз ететін механикалық қасиеттер жинағын – конструкциялық беріктік деп атайды.

Технологиялық талаптар (материалдың технологиялығы) тетікбөлшектер мен конструкцияларды жасауда еңбек сыйымдылықтың төмендігін қамтамасыз етуге бағытталған. Материалдың технологиялық талаптары – оның өңделу мүмкіндік әдістерін сипаттайды. Ол кесумен, қысыммен өңделгіштігімен, пісірілгіштігімен, құйылу қабілетімен және де қыздырылғыштығымен, жылумен өңдегенде деформацияға және қисаюға бейімділігімен бағаланады. Материал технологиялылығының маңызды мәні бар, өйткені өнімділік пен тетікбөлшектерді жасау сапасы соған тәуелді.

Материал бағасының төмен болуы, экономикалық талапқа байланысты болады. Болаттар мен қорытпалар мүмкіндігінше легірленетін элементтердің ең аз мөлшерінен тұруы тиіс. Легірленген элементтерден тұратын материалдарды қолдану, тетікбөлшектердің пайдалану қасиеттерінің арттырылуымен дәлелденуі тиіс. Ал дұрыс технологиялық әдістерді болжау сияқты факторлар экономикалық талаптардың ауқымды өндірістік ерекше мәні бар.

Конструкциялық беріктік – беріктік, сенімділік пен ұзақ тұрақтылық критерийлерінің үйлесімімен тұратын кешенді сипаттама.

Материал беріктігінің критерийін, оның жұмыс істеу жағдайларына байланысты таңдайды. Статикалық жүктемелерде материалдың илемді деформацияға қарсыластығын сипаттайтын уақытша кедергісі s_в немесе тұрақсыздану шегі s_0,2 (s_т) беріктіктің критерийі болып табылады. Көптеген тетікбөлшектердің жұмыс істеу жағдайында илемді деформация шектелетіндіктен, олардың жүк көтеру қабілетін, әдетте, тұрақсыздану шегі арқылы анықтайды. Статикалық беріктікті шамамен бағалау үшін қаттылықты НВ пайдаланады (болат үшін тәжірибелік қатынас s_в =НВ/3 дұрыс болады).

Сенімділік – материалдың морт қирауға қарсы тұру қасиеті. Пайдалану жағдайында морт қирау жұмыс істеп тұрған тетікбөлшектердің кенеттен істен шығып, машинаның тоқтауына әкеліп соғады. Морт қирау есептелгеннен төмен кернеулерде үлкен жылдамдықпен жүретіндіктен, апат зардаптарының мүмкіндігі де ең қауіпті болып саналады. Морт қираудан сақтандыру үшін, конструкциялық материалдар жеткілікті илемді (d,y) және соққы тұтқырлығымен (КСU) болуы тиіс. Бірақ, нақтылы тетікбөлшектің пайдалану жағдайын ескерусіз кішкене зертханалық үлгілерде анықталған сенімділіктің бұл параметрлері тек қана жұмсақ аз беріктікті материалдар үшін ғана жеткілікті. Ал, конструкциялардың металл сыйымдылығын азайтуға ұмтылу жоғары берікті, ереже бойынша морт сынуға бейімділігімен аз илемді материалдарды кеңінен қолданылуына әкеледі.

Материалдың сенімділігін бағалау үшін, мына параметрлер де пайдаланылады:

1) соққы тұтқырлығы КСV мен КСТ;

2) суықтай сынудың температуралық басталуы t₅₀.

Бірақ, бұл параметрлер беріктікті есептеуге жарамайды, өйткені олармен тек қана сапалық баға беріледі.

КСV параметрмен жоғары сенімділікті қажет ететін қысым ыдыстар, құбырлар жүйесі, т.б. конструкциялық материалдардың жарамдылығы бағаланады.

Тілік табанында қажудан пайда болған жарық үлгілерде анықталатын КСТ параметрі жақсы байқалады. Ол соғумен игендегі жарықтың даму жұмысын сипаттайды және басталған тозуды тежейтін материалдың қасиетін бағалайды. Егер материалдың КСТ = 0 болса, онда оның тозу процесі жұмыстың шығынсыз жүретінін білдіреді. Мұндай материал сынғыш, пайдалануға жарамсыз. Керісінше, жұмыс температурасында анықталған КСТ параметрі неғұрлым жоғары болса, пайдалану жағдайында материалдың сенімділігі де солғұрлым жоғары болады.

Ұзақ тұрақтылық деп – берілген уақыт ішінде (қордың) тетікбөлшектердің жұмыс істеу қабілетін қамтамасыз етіп, біртіндеп қирауға материалдың қарсыласу қасиетін (біртіндеп тоқтау) айтады.

Жұмыс істеу қабілетінің (біртіндеп тоқталудың) жойылу қасиеттері әртүрлі: қажу процестердің дамуы, тозу, үздіксіз созымды деформация, коррозия, сәуле таратудан (радиациядан) ісіну, т.б. Бұл процестер материалда біртіндеп қайтымсыз бүлінулердің болмауына және істен шығуына әкеліп соғады. Материалдың ұзақ сақталуын қамтамасыз ету үшін, оның қирау жылдамдығын қажетті мәндерге дейін төмендету қажет. Машиналардың көптеген тетікбөлшектері үшін (80 % астамы) қолданылатын материалдың қажуы арқылы бүлінуге (айналымды ұзақ тұрақтығымен) қарсыластығы немесе тозуға (тозуға беріктігі) төзімділігі анықталады. Сондықтан, тетікбөлшек материалының жұмыс істеу қабілетінің төмендеу себептерін егжей – тегжейлі қарастыру қажет.

Айналымды ұзақ тұрақтылық – айналымды кернеулердің көп қайталану жағдайларында материалдың жұмыс істеу қабілетін сипаттайды. Кернеулер айналымы – Т кезең бойы, оның екі шекті мәндерінің s_е.ү және s_е.к арасындағы өзгеру жиынтығы.

Айналымды ұзақ тұрақтылық және беріктік көптеген себептерге тәуелді, солардың ішінде бет қабатының құрылымы мен кернеулі күйінің, бет сапасы және коррозиялық орта әрекетінің шешуші мәні бар. Беттегі қысудың қалдық кернеулерінің болуы, қажу жарығының түзілуін қиындатады, нәтижесінде шыдамдылық шектің өсуіне мүмкіндік береді. Созу кернеулері мен көпсандық кернеулер шоғырландыруыштары бірден теріс ықпал жасайды, олар:

конструкциялық – тетікбөлшек қимасы түрінің өзгеруі: валенттіктер, тесіктер, ойықтар, қынамалар, т.б.;

технологиялық – беттің шағын, тегіс болмауы, сызаттар мен басқа механикалық өңдеудің іздері;

металлургиялық – саңылаулар, қуыстар, бейметалл қосымшалары (тотықтар, сульфидтер, силикаттар, т.б.) түріндегі ішкі ақаулар.

Тозуға беріктігі – үйкелістің белгілі жағдайында материалдың тозуға қарсыластық көрсету қасиеті. Тоздыру – үйкеліс күштерінің ықпалымен материал бөлшектерінің бөлінуі арқылы, оның беткі қабаттарының біртіндеп үгілу процесі. Тоздыру нәтижесі – тозу деп аталады. Оны өлшемдерінің өзгеруі (сызықтық тозу), көлемінің немесе массасының азаюы (көлемдік немесе массалық тозу) бойынша анықтайды.

Материалдың тозуға беріктігі, тоздыру жылдамдығының J_к немесе үдемелі қарқындылықтың I_һ кері шамасымен бағаланады. Тоздырудың жылдамдығы мен үдемелі қарқындылығы, тозудың сәйкес уақытына немесе үйкеліс жолына қатынасы болып келеді.

Конструкциялық беріктікті арттыру әдістері. Ең аз массалы және ең жоғары сенімділікті конструкциялардың жоғары беріктігі мен ұзақ тұрақтылығына технологиялық, металлургиялық және конструкторлық әдістерімен қол жеткізіледі.

Технологиялық және металлургиялық әдістердің ең жоғары тиімділігі бар, олардың мақсаты – материалдың механикалық қасиеттері мен сапасын арттыру.

Конструкциялық беріктікті жоғарлататын технологиялық факторлар: легірлеу, созымды деформация, термиялық, термия – механикалық және химия – термиялық өндеулер есебінен:

- дислокация тығыздығының өсуі;

- түйірлер, кішкене түйірлер, екінші фазалардың шашыранды бөлшектерінің шекаралары түрінде дислокациялар кедергілерін жасау.

- кристалдық торды бұрмалайтын серпімді кернеулер өрістерін түзу.

Металлургиялық факторлар конструкциялық беріктікті жоғарлатады:

- металдар мен қорытпалардың тазалығын, металлургиялық қасиетін жоғарлату;

- зиянды қоспалардан (күкірт, фосфор, газ тәрізді элементтер – сутегі, оттегі, азот) тазарту;

- метал емес қоспалардан тазарту – оксидтер, сульфидтер және т.б.

Көміртекті болаттардың ентаңбалануы. Әдеттегі сапасымен көміртекті болаттар. Басқа болаттарға қарағанда арзан және көп мөлшерде өндіріледі.

Көміртекті болаттардың сыныпталуы. Әдеттегі сапасымен көміртекті болаттар. Бұл болаттар көп мөлшерде өндірілетін арзан болаттар болып табылады. Тағайындалуы және кепілденген қасиеттеріне байланысты көміртекті әдеттегі сапасымен болаттар үш топтан тұрады – А, Б және В (МЕСТ 380 –71 бойынша).

Әдеттегі сапасымен болаттарды Ст әріпімен және 0 – ден 6 – ға дейінгі шартты санмен ентаңбалайды. Егер болат А тобының болаты болса, онда ентаңбада тобы көрсетілмейді: Ст0, Ст1, Ст2 ... Ст6. Егер болат Б тобының болаты болса, онда ентаңбаның басында «Б» әріпі қойылады: БСт0, БСт1, БСт2 ... БСт6. Егер болат В тобының болаты болса, онда ентаңбаның басында «В» әріпі қойылады: ВСт1, ВСт2 ... ВСт5.

Ентаңбасында 1 – 4 сандары бар барлық болаттар тобы қайнаған, жартылай тыныш және тыныш жолмен, ал 5 және 6 сандары бар болаттар жартылай тыныш және тыныш жолмен өндіріледі. Ст0 ентаңбалы болатты тотығу дәрежесі бойынша бөлмейді. Қайнаған болаттардың ентаңбасының соңында «кп», жартылай тыныштарды «пс» және тыныштарды «сп» деген индекстер қойылады.

А тобы болаттары конструкциялар мен тетікбөлшектер үшін ыстықтай жаймаланған күйінде қолданылады. Олардың байындалуы ыстықтай деформация мен термиялық өңдеуге қатысы болмауы керек. Сондықтан бұйымның құрылымы мен механикалық қасиеттері стандарттағы кепілденген қасиеттерді сақтайды.

Б тобының болаттары кепілденген химиялық құрамы бойынша жеткізіледі. Олардың механикалық қасиеттрі кепілденбейді. Б тобы болаттарының химиялық құрамы белгілі болғандықтан, оларды ыстықтай қысыммен өңдеуге болады, ал олардың жасалған бұйымдарды термиялық өңдеуге болады. Ыстықтай деформация және термиялық өңдеу режимдерін таңдау үшін болаттың химиялық құрамы туралы мәліметтер қажет.

В тобының болаттарын кепілденген химиялық құрамымен және механикалық қасиеттерімен жеткізеді. Осы кезде В тобы болаттарының механикалық қасиеттері сәйкес келетін ентаңбалы А тобының болаттарына тағайындалған механикалық қасиеттеріне, ал химиялық қасиеттрі бойынша осы ентаңбалы Б тобының болаттарына сәйкес келеді. Мысалы, ВСт2кп болатының механикалық қасиеті Ст2кп болатының қасиетіндей, ал химиялық құрамы БСт2кп құрамындай болады. Осы топтың болаттары ВСт1 ... ВСт5 ентаңбалы болып шығарылады.

Әдеттегі сапасымен көміртекті болаттардың барлық үш тобын пісірілген, тойтарылған, бұрандамалармен қосылған метал конструкцияларда және құрылыстарда, сонымен қатар аз жүктелген машина тетікбөлшектерін жасауда кеңінен қолданылады.

Аз көміртекті екінші топты құрайтын 15, 20, 25 ентаңбалы болаттар жақсы пісіріледі және кесумен өңделеді.

Орташа көміртектенген 30, 35, 40, 45, 50 ентаңбалы болаттары термиялық жолмен жақсы өңделеді және жасытылған күйінде метал кескіш аспаптарда жақсы өңделеді. Жауапты машина бөлшектерін жасауда қолданылады.

Жоғары көміртекті болаттар 60, 65, 70, 75, 80, 85 әр түрлі термиялық өңдеу түрлерін жүргізуге болады, өңдеуден кейін жоғары беріктікке, тозуға төзімділікке және серпімділікке ие болады. Олардан рессорлар, серіппелер, илемдеу біліктерін және т.с.с. жасалады.

Көміртекті сапалы аспаптық болаттарды У әріпімен белгілейді және әріптен кейінгі сан көміртектің ортана ондық пайыздық үлесін көрсетеді (У7 ... У13). Егер ентаңба соңында А әріпі болатын болса, онда болаттың жоғары сапалы екенін көрсетеді (У12А).

Бақылау сұрақтарына жауап беру:

1. Сапасы бойынша көміртекті болаттар қалай ентаңбаланады?

2. Тотығу дәрежесі бойынша болаттар қалай ентаңбаланады?

3. Болаттың құрамындағы қандай қоспалар зиянды болып табылады?

4. Көміртекті аспаптық болаттар қалай ентаңбаланады?

5. Қандай болаттар көміртектенетін болаттарға жатады?