Теоретичні відомості. Класифікація –система розподілення об'єктів (процесів, явищ) за класами (групами тощо) відповідно до визначених ознак

Класифікація – система розподілення об'єктів (процесів, явищ) за класами (групами тощо) відповідно до визначених ознак.

Метали і їх сплави повсюдно використовуються для виготовлення деталей і конструкцій машин, обладнання, інструменту і т. д. Незважаючи на широке коло штучно створених матеріалів (полімерів, кераміки, клеїв), метали служать основним конструкційним матеріалом і в осяжному майбутньому, як і раніше, будуть домінувати.

Кожен метал або сплав відрізняється будовою і властивостями від іншого, тим щонайменше, за деякими ознаками їх можна поєднати до певних груп.

Усі метали можна розділити на дві великі групи – чорні і кольорові метали.

Чорні метали найчастіше мають темно-сірий колір, велику щільність (густину), високі температури плавлення, відносно високу твердість. Найтиповішим металом цієї групи є залізо.

Кольорові метали найчастіше мають характерне забарвлення: червоне, жовте і біле. Вони володіють значною пластичністю, малою твердістю, дещо низькою температурою плавлення. Найтиповішим елементом цієї групи є мідь.

Класифікувати матеріали можна за різними ознаками. Зокрема, вуглецеві сталі класифікують за наступними ознаками:

а) за хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. Крім того, сталі містять окрім вуглецю – до 0,4 % Si, 0,5…0,8 % Mn і по 0,2...0,6 % S і P. Кремній і марганець є корисними домішками; розчиняючись у фериті, вони зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі, в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості, називаються легованими;

б) за вмістом вуглецю сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С);

б) за призначенням всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С≤ 0,8 %) та інструментальні (С ≥ 0,8 %). У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше сталі зміцнюють кремній, марганець і нікель;

в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору.

До конструкційних сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом сірки та фосфору до 0,04...0,06 %.

У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (≤0,04 %).

Маркування — це процес нанесення маркування. Нанесення тексту, умовних позначень та малюнків на пакування та (чи) продукцію. У процесі наноситься комплекс відомостей різного характеру щодо продукції, процесу чи послуги у вигляді тексту, окремих графічних, кольорових символів (умовних позначень) та їхніх комбінацій. Воно наноситься, в залежності від конкретних умов, безпосередньо на виріб, упаковку (тару), ярлик, етикетку чи в супровідну документацію.

Так, згідно ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94) конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості виготовляють таких марок: Ст.0, Ст.1кп, Ст.1нс, Ст.1сп, Ст.2кп, Ст.2сп, Ст.3кп, Ст.3нс, Ст.3сп, Ст.3Гнс, Ст.3Гсп, Ст.4кп, Ст.4нс, Ст.4сп, Ст.5нс, Ст.5сп, Ст.5Гнс, Ст.6нс, Ст.6сп.

Літери “Ст.” означають те, що ця сталь належить до конструкційних вуглецевих сталей звичайної якості, а цифри, які стоять далі - умовний номер марки, з ростом якої зростає вміст вуглецю. Літера “Г” в марці сталі вказує на підвищений вміст марганцю (0,8-1,2%). Сталі марок від Ст.0 до Ст.4сп, включно, містять вуглецю від О,06 до 0,27%, а марок Ст.5 і Ст.6 - 0,28...0,37 і 0,38...0,49%, відповідно. Літери “кп”, “нс”, “сп” визначають ступінь розкислення сталі (“кп” - кипляча, “нсп” - напівспокійна, “сп” - спокійна).

Спокійні сталі (сп) розкислюють марганцем, кремнієм і алюмінієм до повного закінчення виділення газових бульбашок із рідкого сплаву.

Напівспокійні сталі (нсп) розкислюють марганцем і кремнієм. При розливі сталі виділяються бульбашки в невеликій кількості.

Киплячі сталі (кп) не розкислюють і тому при розливанні їх виділяється багато бульбашок. Сталь ніби кипить, а після кристалізації ці бульбашки залишаються в металі.

У більшості випадках сталі, які містять менше ніж 0,3% вуглецю (сталі марок Ст.0... Ст.4сп) застосовуються при виготовленні конструкцій, які з'єднуються зварюванням. Їх можна віднести до сталей, що добре зварюються.

Сталі марок Ст.5нс...Ст6сп містять більш ніж 0,3% вуглецю. Тому у деталей, виготовлених з цих марок сталей, можна підвищувати міцність за рахунок термічної обробки, а зварюваність цих сталей обмежена.

Використовується вуглецева конструкційна сталь звичайної якості переважно як листовий матеріал і сортовий прокат для різних конструкцій: арматура, болти, труби, невідповідальні паливні пристрої тощо.

Вуглецеві якісні конструкційні сталі. Ці сталі поділяються на дві групи: група з нормальним вмістом марганцю (< 0,8 % Mn) марок 05кп, 08пс, 08кп, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 20кп, 20, 25, 30…80, 85; і група з підвищеним вмістом марганцю (1...1,2 % Mn) марок 15Г, 20Г, 25Г, 30Г, 35Г 65Г і 70Г. Цифри в марці якісних сталей означають середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, а літера Г - наявність підвищеного вмісту марганцю. Якість виявляється обмеженням в сталі кількості сірки і фосфору: S < 0,035 % і P < 0,035 %.

Низьковуглецеві сталі мають невелику міцність і високу пластичність. Тому їх обробляють прокатуванням, штампуванням, куванням. Наприклад, сталь 0,8кп застосовують для штампування кузовів автомобілів, а сталі марок 0,8... 25 добре зварюються.

Середньовуглецеві сталі марок 30...60 мають підвищену міцність, але меншу пластичність, ніж низьковуглецеві. З них виготовляють дуже широку номенклатуру деталей машин, механізмів, приладів (валики, шестерні, осі…) переважно із застосуванням термічної обробки - поліпшення.

Сталі марок 65...85 і 65Г...70Г застосовують для виготовлення пружин, ресор та інших пружних деталей і приладів.

Інструментальні вуглецеві сталі. Ці сталі використовують для виготовлення штампів, а також інших інструментів (напилок, ножівочне полотно). Їх поділяють на якісні і високоякісні. Якісні сталі містять S < 0,035 % і P < 0,035 %, а високоякісні містятьS < 0,025 % і P < 0,025 %.

При маркуванні для групи високоякісних сталей в кінці марки ставиться буква А. Інструментальні сталі виготовляють таких марок: У7, У8…У13, У7А, У8А…У13А.

Букви і цифри в позначенні інструментальних марок сталі вказують: У - вуглецева інструментальна; наступні за нею цифри вказують середній вміст вуглецю в десятих долях процента. Наприклад, У7 - 0,7 % вуглецю, У13А - 1,3 % вуглецю; А вказує на те, що сталь високоякісна. Сталь постачають термічно обробленою у вигляді кованого круга, гарячекатаного круга, квадрата або смуги, каліброваного круга або квадрата і сріблянки.

Для отримання необхідних властивостей інструмент підлягає термічній обробці - гартуванню з наступним відпуском.

Леговані сталі. Легованими називають сталі, до складу яких спеціально вводяться один або декілька легуючих елементів для отримання бажаних властивостей. Легуючі елементи - хром, нікель, ванадій, молібден, вольфрам, бор … Легуючими елементами також можуть бути постійні домішки (Mn, Si ,,…), коли вони додаються спеціально для надання певних властивостей.

Залежно від вмісту легуючих елементів сталі поділяють на три групи: низьколеговані - вміст легуючих елементів менше 2,5 %, середньолеговані - від 2,5 до 10 % і високолеговані - більше 10 %.

За призначенням леговані сталі ділять на конструкційні, інструментальні і сталі з особливими фізико-хімічними властивостями.

Для маркування легованих сталей прийнята система позначень, яка складається з букв і цифр. Кожен легуючий елемент позначається буквами: Г - марганець, С - кремній, Х - хром, Н - нікель, М - молібден, В - вольфрам, Ф - ванадій, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь, Б - ніобій, К - кобальт, Р - бор, П - фосфор, Ц - цирконій, А - азот, Е - селен.

Для конструкційних легованих сталей прийнято маркування, за яким перші цифри вказують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, букви - наявність відповідних легуючих елементів, а цифри, що стоять за буквами, - процентний вміст цих компонентів у сталі. Якщо після якоїсь букви немає цифри, то це означає, що сталь містить даний елемент у кількості до 1,5 %.

Приклади розшифрування марок сталей: Сталь 40Х містить 0,4 % вуглецю і до 1,5 % хрому; Сталь 16Г2 містить 0,16 % вуглецю і близько 2 % марганцю.

Для позначення високоякісної легованої сталі в кінці маркування додають букву А, наприклад, 40ХНМА; для позначення особливо високоякісної сталі - букву Ш (через дефіс), наприклад, 40ХНМ-Ш. Високоякісні сталі містять що сірки, що фосфору не більше 0,025%, а особливо високоякісні - не більше 0,015%.

Для інструментальних легованих сталей порядок маркування за легуючими елементами такий самий, як і для конструкційних, але кількість вуглецю позначається першою цифрою в десятих, а не в сотих частках відсотка. Якщо цифри немає, то сталь містить близько або більше 1 % вуглецю. Наприклад, марка 9ХС означає, що сталь інструментальна містить близько 0,9 % вуглецю та менше 1,5 % кожного з елементів - хрому та кремнію.

Швидкорізальні інструментальні сталі – цевисоколеговані інструментальні сталі, що характеризуються значним вмістом вольфраму (6...19 %), хрому (3...4,5 %), молібдену (3...6 %) і володіють червоностійкістю. Під час нагрівання в процесі різання до високих температур (600...650ºС) вони не втрачають своєї твердості і різальних властивостей.

У доменному виробництві виплавляють 3 види чавунів – переробний, ливарний і спеціальний (феросплави).

Переробний чавун відповідно до ДСТУ 3133-95 призначений для сталеплавильного виробництва. Ливарний чавун використовується для виробництва машино­будівних ливарних чавунів в чавуноливарних виробництвах. Для самостійного використання з нього одержують ливарні деталі для різноманітних механізмів і машин.

Залежно від стану і вмісту вуглецю в чавуні розрізняють: білі і сірі (за кольором зламу, який обумовлюється структурою вуглецю в чавуні у вигляді карбіду заліза або вільного графіту).

Сірі чавуни маркуються буквами СЧ з цифрою, яка вказує мінімальну границю міцності на розрив (розтяг). Іноді вказують і другу цифру, що означає межу міцності на згин. Наприклад, марка сірого чавуну позначається СЧ15-32: звичайний сірий чавун (СЧ) з межею міцності на розтяг 15 кГ/мм² (150 МПа) та межею міцності на згин 32 кГ/мм² (320 МПа).

Ковкий чавун позначають буквами КЧ, перше число в марці вказує межу міцності на розтяг, друге – відносне видовження у відсотках (п’ятикратне), наприклад, КЧ 33-8 (σ_в = 33 кГ/мм², δ = 8 %).

Його не кують (обробці тиском не піддається), але він набагато пластичніший за сірий чавун. Ковкий чавун, як і сірий, складається із основи – сталі та містить частину вуглецю у вигляді графіту, проте графітові включення у ковкому чавуні інші за формою (лапатої форми у вигляді пластівців, а не пластин). Властивості ковкого чавуну залежать від металевої основи і розміру включень графіту, чим менші включення графіту, тим міцніший ковкий чавун.

З ковкого чавуну виготовляють деталі складної форми: картери заднього моста автомобілів, гальмівні колодки, трійники, косинці і т. д.

Високоміцні чавуни містять включення графіту глобулярної (кулястої) форми, який утворюється в процесі кристалізації. Позначають його буквами ВЧ і числами – межею міцності на розтяг і відносним видовженням (п’ятикратним), наприклад, ВЧ 80-3 (σ_в = 80 кГ/мм², δ = 3 %).

Антифрикційні чавуни позначаються АСЧ-1, АСЧ-2 і ін.. А – антифрикційний, СЧ – сірий чавун, цифри – порядковий номер марки.

Жаростійкий чавун – ЖЧХ-1,5, ЖЧС-5,5 та ін.. ЖЧ – жаростійкий чавун, далі букви і цифри – легуючі елементи (Х – хром, С - кремній) та відсотковий вміст.

Одним з найпоширеніших важких кольорових металів є мідь. Це червоно-рожевого кольору мономорфний метал з питомою густиною γ = 8,96 г/см³ і температурою плавлення t _пл. = 1083 ° С, утворює ГЦК решітку, має високу електричну провідність, тому широко застосовується в електротехніці. У відпаленому стані мідь має міцність σ_в ≈ 250 МПа, твердість НВ 45, значну пластичність (δ ≈ 50%). Завдяки значній пластичності з неї виготовляють листи, стрічки, прутки, дріт.

Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це деформований сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.). У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60 -1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn).

Бронза – це, як правило, ливарний сплав міді з усіма елементами (оловом, алюмінієм, берилієм та ін.), крім цинку. Здебільшого до складу бронзи входить олово.

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 08Ц4С3 (Sn-8 %, Zn-4 %, Pb-3%, решта – мідь).

Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору, що має малу густину γ = 2,7 г/см³ і температуру плавлення t_пл.≈ 660 ºС, має високі електро- та теплопровідність. Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку.

Алюмінієві сплави за технологічною ознакою поділяються на деформовані та ливарні.

Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав в системі елементів (Al, Cu, Mg) з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Д1 – класичний дюралюміній (3,5…4,5 % Cu; 0,4…0,8 % Mg; 0,4…1,0 % Mn).

Найбільш широке застосування серед алюмінієвих сплавів для виготовлення конструкцій річкового і морського флоту знаходять сплави з магнієм АМгЗ, АМг5, АМг61 – магналії, а також сплави з марганцем АМц і Д16.

Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви означають, що це – алюмінієвий ливарний сплав).

Магній - сріблясто - білий мономорфний метал з температурою плавлення t_пл = 651 ºС та густиною γ = 1,74 г/см³ (10³ кг/м³) – найменшою серед конструкційних матеріалів, невисокою міцністю σ_в = 100 МПа, пластичністю δ = 8 % і малою корозійною стійкістю; у чистому вигляді, як конструкційний матеріал, не використовується. Магній має гексагональну щільно-упаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозаймання на повітрі.

Проте магнієві сплави міцні, поглинають вібрацію, неактивні з ураном, добре обробляються різанням, зварюються. Легується магній Mn, Al, Zn, Zr, Ti, Ca, Cе, La, Nd, Th для подрібнення зерна, загартованості, підвищення механічних властивостей.

Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм, які мають покращені властивості порівняно з чистим магнієм. Магнієві сплави бувають ливарні і такі, що деформуються, і маркуються наступним чином.

Магнієві сплави, що деформуються, МА1 і МА8 з основним легуючим елементом – марганцем (Mn) мають добру рідкотекучість і володіють міцністю в межах 200..350 МПа, а також – добру корозійну стійкість і здатність до зварювання.

Антифрикційні (підшипникові) сплави на олов'яній та свинцевій основі (бабіти) – це досить широко розповсюджені легкоплавкі антифрикційні сплави на основі олова (олов'яні бабіти) та свинцю (свинцеві бабіти). Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними (мають добру припрацьованість та невеликий коефіцієнт тертя). Їх використовують для виготовлення вкладишів підшипників ковзання.

Марки бабітів позначають літерою Б. В олов'яних бабітах за літерою наведені цифри, що вказують середню кількість олова у відсотках (Б83, Б88). Наприклад, сплав марки Б83 містить: 10-12 мас. % Sb; 5,5-6,5 мас. % Cu; решта – Sn. Марки свинцевих бабітів також позначають літерою Б, після якої можуть стояти літера, яка позначає певний легувальний елемент (А – алюміній, К – кальцій, Н – нікель та ін.) та цифри, які вказують на його кількість.

Таким чином, в марках конструкційних матеріалів вказується номер сплаву, орієнтовний хімічний склад або певні властивості, за якими згідно відповідних таблиць механічних властивостей (довідкові дані) можна визначити конкретні механічні властивості металу (сплаву), що вивчається. Також згідно діаграми стану можна встановити поведінку цих матеріалів при зміні температури відповідно до умов експлуатації (нагрівання або охолодження).