Инженер начинается в школе

Металлы

В технике все металлические материалы подразделяют на простые металлы — элементы, имеющие небольшое ко­личество примесей, и сложные металлы (сплавы), которые представляют собой сочетание какого-либо простого ме­талла с другими элементами.

Из простых металлов в технике применяются только медь и алюминий для линий электропередач. Остальные металлы используются в основном в виде сплавов. В состав сплава вводят элементы, которые придают ему свойства, каких нет у основного металла, но какие должны быть у готового изделия. Например, нож, изготовленный из чис­того железа, будет гнуться и тупиться даже при резанье хлеба, потому что железо — металл очень мягкий. Добавка углерода в сплав повысит упругость и твердость железа, а марганец увеличит его сопротивление истиранию. Инстру­мент из такого сплава будет резать уже не только хлеб, но даже и само железо. То же самое происходит и с цветными металламй: добавлением к мягкой меди или олову цинка получают сплавы прочные, пластичные и твердые; золото упрочняют добавками серебра и т. д.

Металлы и сплавы, в свою очередь, разделяют на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы (с угле­родом и другими элементами) — стали, чугуны и ферро­сплавы. Всё остальные металлы и их сплавы относятся к цветным металлам. И в технике, и в народном хозяйстве вообще наибольшее распространение получили черные ме­таллы.

К сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержа­щие до 2,0% углерода, к чугунам — 2,5—4,0% углерода. По своему химическому составу стали разделяют на угле­родистые и легированные, в эти последние вводят химичес­кие элементы, придающие стали особые свойства. Легиро­ванные стали применяют для изготовления наиболее ответ­ственных деталей.

Углеродистые стали по назначению бывают конструкци­онные и инструментальные, при этом конструкционные— обыкновенного качества и качественные.

По ГОСТу конструкционные углеродистые стали обык­новенного качества обозначают буквами Ст и цифрой от 0 до 7, обозначающей примерное содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь Ст1 содержит примерно 0,1% углерода, сталь Ст2 — около 0,2% и т. д. Чем выше номер стали, тем она тверже и прочнее. Стали с малым содержанием углерода более пластичны и мягки, их легче гнуть в холодном состоянии. Термической обра­ботки низкоуглеродистые стали не воспринимают. Из сталей Ст4 и Ст5 изготавливают болты, оси, рычаги, шестерни (зубчатые колеса), шпонки, ключи и другие детали, из Стб и Ст7 — рессоры, валы, бандажи для колес и т. д.

Качественные конструкционные углеродистые стали бо­лее однородны по составу и содержат меньше (чем стали обыкновенного качества) вредных примесей. По ГОСТу они маркируются так: стали 0,8, 10, 15, 20 и т. д. до 85, где число обозначает содержание углерода в сотых долях про­цента. Из конструкционных сталей изготовляют мосты, строительные конструкции, перекрытия зданий, крепеж­ные детали (болты, гайки, шайбы, гвозди и т. п.) и др.

Инструментальная углеродистая сталь разделяется на сталь качественную, которая обозначается буквой У и циф­рой или числом, показывающим содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 и так до У13, и высокока­чественную сталь. Высококачественная инструментальная сталь обозначается так же, как качественная, но с добавле­нием буквы А (У7А — У13А). Из инструментальных угле­родистых сталей изготавливают молотки, отвертки, зубила, бородки и другие инструменты и ответственные приспособ­ления.

Существенным недостатком всех углеродистых сталей является отсутствие у них нужных сочетаний механических свойств. Например, сталь с большим содержанием углерода прочнее и тверже, но зато она имеет меньшую пластичность и вязкость, а это существенный недостаток. Резцы и сверла из углеродистой стали теряют свои режущие свойства уже при температуре 180°С, прокаливаемость (твердость по сечению после закалки) углеродистых сталей невелика и т. д.

По этим причинам углеродистые стали не отвечают вы­соким требованиям ответственного машиностроения и ин­струментального производства, и поэтому там применяются стали легированные.

Легированной сталью называют такой сплав, в котором, кроме железа и углерода, содержатся другие, специально введенные химические элементы, придающие стали особые свойства: упругость, твердость, износоустойчивость, жаро­прочность и т. д. По названию элементов, входящих в со­став легированных сталей, они так же и называются: вана­диевые, хромистые, хромомолибденовые и другие стали.

Легирующие элементы по ГОСТу обозначаются заглав­ными буквами русского алфавита: X — хром; Н — никель; Г — марганец, Ф — ванадий; К — кобальт; Т — титан; Ю — алюминий; Д — медь. Содержание химических элементов в стали указывается цифрами и буквами: первые две цифры перед буквами показывают содержание углерода в сотых долях процента; сами буквы — наличие соответствующего лигирующего элемента; цифры после букв — содержание этого элемента в целых процентах. Если имеется буква, но цифра после нее не стойт, то значит данного элемента содержится в сплаве около одного процента. Например, легированная сталь марки 35Х — это сталь хромистая, содержащая 0,35% углерода и хрома примерно 1 %. Сталь 45Г2 содержит 0,45% углерода и марганца 2%. Сталь ЗОХНЗ — 0,30% углерода, хрома 1% и никеля 3%. Если сталь высококачественная, то к ее обозначению в конце добавляется буква А. Например, высококачественная хро- момарганцевокремнистая сталь, содержащая 0,30% угле рода, хрома — 1%, марганца — 1% и кремния — 1%, будет иметь марку ЗОХГСА.

Некоторые стали с особыми свойствами имеют и особую маркировку: Ш — шарикоподшипниковая, Р — быстро-

Режущая, Ж — хромовая нержа­веющая, Я — хромоникелевая не­ржавеющая, Е — электротехниче­ская.

Легированные конструкцион­ные стали имеют более высокие механические характеристики, чем простая углеродистая сталь, поэ­тому детали, изготовленные из легированных сталей, могут иметь меньшее сечение, а следователь­но, и меньший вес, чем такие же детали, изготовленные из обычной стали. А это значит, что замена деталей из обычных сталей леги­рованными позволяет значительно снизить вес машин, увеличить их надежность и долговечность.

Широкое применение черных металлов в народном хозяйстве облегчается тем, что металлургиче­ская промышленность выпускает металл в виде стандартных профи­лей определенной формы и разме­ров (рис. 27). Конструируя маши­ну или сооружение, инженер обя­зан при расчете подбирать и ука­зывать в чертеже только тот про­филь, который имеется в стандарте. Это упрощает и ускоряет конструи­рование, облегчает выполнение чертежей, на которых нет нужды вычерчивать весь сложный профиль со многими размерами, а доста­точно указать только название

Рис. 27. Профили стали, выпускаемые для народного хозяйства: 1 — круглый; 2 — квадратный; 3 — полосовой; 4 — уг­ловой; 5 — тавровый; 6 — двутавровый; 7 — корытный (швеллер); 8 — рельсо­вый; 9 — зетовый.

4 Инженер начинается в школе

Профиля и его номер. Например, балка двутавровая № 20; или: швеллер № 12 и т. д.