«Материалтану» пәні бойынша оқу материалдарының мазмұны мен құрылымдары

 

«Материалтану» пәні бойынша оқу материалдарының

мазмұны мен құрылымдары

 

 

«Материалтану» пәнінің оқу материалдары сөз болғанда, ең алдымен халық шаруашылығының көптеген салаларында кеңінен қолданылатын маңызды конструкциялық материалдар қатарына шойын мен болат жатқызылады. Шойынға қарағанда болат құрамында көміртек аз болғандықтан, шойынды қышқылмен байытып, көміртекті бірте-бірте кеміту жолымен  болат алынады. Шойынмен салыстырғанда болаттың механикалық қасиеттері жоғары екендігін ескерсек, болат өндірістің негізгі материалы болып есептеледі. Сондықтан осы ғылыми мақалада болаттың негізгі түрлерін және қолданылу аясын талқылауды жөн деп білеміз [1].

«Материалтану»  пәнін оқытудың негізгі мақсаты  студенттерге металл қорытпаларының құрылымы, ондағы болатын фазалық өзгерістер мен металл емес материалдардың құрылысы мен қасиеттері, сонымен қатар осылардан жасалатын жеке тетіктердің сапасы мен сапалық көрсеткіштерін арттыру жолдары, материалдарды ұтымды таңдау арқылы бұйым сапасын арттыру туралы білім негіздерін қалыптастыру [2].

Барлық химиялық элементтер металл және металл емес болып  бөлінеді. Табиғатта 100-ден астам элементтер бар, соның 80-нен астамы – металдар. Әрбір металдың өзіне тән қасиеттері болады: созылғыштығы, электр мен жылу өткізгіштігі, балқу температурасы, түсі, меншікті салмағы және т.б. Ондай қасиеттерін металл қорытпаларын өндіру мен өңдеу кезінде реттеуге болады. Осылайша металл қорытпаларына сұйық күйінде әртүрлі металдардан аз мөлшерде қоспа қосылып,  өңделеді. Егер металл құрамында бірнеше қоспа элементтер болса, ондай металл легірленген деп аталады. Мына 1-суретте болаттардың таптастырылуы бейнеленген.

1-суреттен көрініп  тұрғандай, мына мәселеге баса  назар аударған жөн: 

1. Жоғары көміртекті (0,6%С жоғары) болаттан орташа көміртекті (0,3-0,6С)  одан аз көміртекті болат алуға болады.

2. Аз легірленген болатқа легірлеуші элементтер қосу арқылы орташа легірленген, ал оған және легірлеуші элементтер қосылғанда жоғары легірленген болат алынады.

Бұл аталған  «ережелер» болатты қайта өңдеу  кезінде іске асады. Пән мазмұнының осылайша түсіндіру студенттерге өте ұғымды болады деп білеміз.

Көміртекті  болаттар (1-сурет) сапасына қарай қарапайым сапалы, сапалы болып жіктеледі. Мұндай болаттар былайша маркіленеді Сто, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст6

Конструкциялық сапалы болаттар былайша маркіленеді. Ст10, Ст15, Ст20, Ст25, Ст30, Ст35, Ст40, Ст45, Ст50. Бұл болат маркілерінен машиналардың жауапкершілігі жоғары тетіктері жасалады.

Мұндағы: «СТ»-болаттың орысша аталуы; сандар болат нөмірі; сан өскен сайын көміртегі мөлшері арта түсіп, болаттың беріктігі артады, созылғыштығы кемиді. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-сурет. Болаттардың таптастырылуы

 

 

Көміртекті  аспап болаттарының У7, У8......У13 маркалары сапалы деп аталады, Ал, У7А......У13А аралығындағы аспап болаттары жоғары сапалы делінеді. Мұндағы – “У„ әрпі орысша аталуына сәйкес «углеродистый» көміртекті деген ұғымды білдіреді. Болат таңбасының жанындағы сандар болат құрамындағы көміртек мөлшерінің шамамен оннан бір пайызы бар екендігін білдірсе «А» әрпі болат сапасының жоғары екенін көрсетеді.

Мұндай болаттардан  әртүрлі кескіш және слесарлық өңдеу  аспаптары жасалады (1-кесте)

 

 

Көміртекті  аспап болаттарының қаттылығы мен  қолданылуы

Болат маркасы	Жасытылған болаттың қаттылығы НИ (кем емес)	Шынықтырудан  қаттылық		Қолданылуы
		шынықтыру температурасы  °С (суда шыныққан)	НRS (кем емес)
У7А	187	800-820	62	Қашаулар, қысқыштар  металл кесетін қайшылар
У7	187	800-820	62	У7А маркасындағыдай  және шойбалғалар
У8ГА	187	780-800	62	Металл кесетін  аралар
У8А	187	780-800	62	Ұяқалыптар, үшкіркескіштер, сотандар, нүктелегіштер
У8,У8Г	187	780-800	62	У8А маркасындағыдай  және қысқыш ернеулері
У9, У9А	192	760-780	62	Үшкір тескіштер, нүктелегіштер
У10А	197	760-780	62	Бұрғылар, бұрандаойғыштар, бұрандакескіштер, ұңғылар, аралар
У10	197	760-780	62	У10А маркасындағыдай  және егеу беделерін жасайтын қашаулар
У11 У11А	207	760-780	62	Қырғыштар, калибрлер, егеулер, бұрғылар, бұранда ойғыштар, бұрандакескіштер, ұңғылар
У12.А У12	207	760-780	62	Бұрғылар, бұранда ойғыштар, бұрандакескіштер, ұңғылар
У13А	217	760-780	62	Соққымен жұмыс  істейтін өте қатты аспаптар
У13	217	760-780	62	Қырғыштар, қашаулар, егеулер, нақыштау аспаптары

 

Ал, автоматты деп аталатын (автоматты станоктарда жоғары       жылдамдықпен өңдеуге жарамды) А11, А12, А20, А30, АС40, АС14, АС20ХГНМ болаттарының созымдылық және тұтқырлық көрсеткіштері төмен. Сондықтан мұндай болат маркілерінен жауапкершілігі төмен тетіктер жаппай және сериялы өндірістерде автоматты станоктарда өңделеді.

Легірленген болаттар құрамындағы  легірлеуші элементтердің құрамы мен  мөлшеріне, құрылымы мен қолданылуына қарай жіктеледі. Егер болат құрамында легірлеуші   элементтер жиынтығы 2,5%-ға дейін болса, ол аз легірленген, он пайызға дейін болса – орташа, ал ондай элементтер мөлшері 10%-дан жоғары болса, жоғары легірленген делінеді  [3].

Ал, қандай элементтермен легірленуіне қарай хромды, никельді, хромникельді, хроммарганецті, кремнийлі болаттар болып аталады.

Техникалық  таза металдардың беріктік қасиеттері төмен болғандықтан, жеке тетіктер дайындамалары қорытпалардан [4] ғана жасалады.

Жалпы алғанда қорытпаларды беске жіктеуге болады, олар:

• темір негізіндегі алынатын  қорытпаларды қара металл деп атайды, оларға шойын мен болат жатады;
• алюминий, магний, титан, бериллий негізінде алынған тығыздығы төмен қорытпалар жеңіл және түсті деп аталады;
• мыс, қорғасын, қалайы негізінде алынатын қорытпалар ауыр және түсті делінеді;
• цинк, кадмий, қалайы, қорғасын, висмут, т.б. металдар негізінде алынған қорытпаларды – тез балқығыш түсті қорытпалар деп атайды;
• молибден, ниобий, цирконий, вольфрам, ванадий негіздерінде  қорытылған қорытпалар баяу балқитын түсті қорытпаларға жатқызылады.

Болаттарды  әртүрлі қоспалармен легірлеу арқылы, оның басқа құрамда, сапалы материалға айналатыны және оларды маркілегенде, тетік сызбасындағы көрсетілген таңбаларды студенттер ажырататындай етіп түсіндірген жөн. Мысалы, оларға 15Х, 20Х, 30Х, 45Х, 30ХМ, 45ХН, 30ХГС, болаттарды  үй тапсырмасы ретінде берілсе, келесі сабақта олар жауаптарын бірге талқылап, заңды пікірсайыс тудырады.

Болат құрылымына қарай перлитті, мартенситті, аустенитті, карбидті және ферритті болып ажыратылады. Қолданылуына қарай легірленген  болаттар конструкциялық, аспаптық құрылыс  және ерекше қасиетті деп бөлінеді. Легірленген болаттарды маркілеу әріп-санды жүйемен былайша белгіленеді: Марганец – Г; Кремний – С; Хром-Х; Никель-Н; Молибден-М; Вольфрам-В; Титан-Т; Ванадий-Ф; мыс-Д т.с.с.

Мысалы, 20ХГС  болатының құрамында шамамен 0,2%С, бір пайыздан хром, марганец, кремний  бар екендігін көрсетеді. Сол  сияқты 30ХГСА болатының  құрамында 0,3%С, бір пайыздан марганец және кремний  болады. Болатты таңбалаудың соңындағы  «А» әріпі бұл болаттың сапасы  жоғары екендігін білдіреді [5].

Легірленген жоғары сапалы конструкциялық болаттардың  кеңірек қолданылатындарының қатарына мыналар [2,6] жатқызылады:

1. Хромды болаттар (30Х, 38Х, 40Х, 50Х) иінді біліктер, тісті дөңгелектер, осьтер, төлкелер, гайкалар сияқты жауапкершілігі жоғары тетіктер жасау үшін қолданылады. Бұл болаттар үлкен тереңділікке (15-25 мм аспайды) шынықтырылмайды, жұмсарту кезінде морттыққа бейім, көміртек мөлшері артқан сайын болаттың беріктігі арта түскенімен, созылымдылық қасиеті төмендей береді.
2. Марганецті 10Г2, 25Г2, 10Г2 болаттардың пісірілгіштігі мен созымдылығы жақсы, сондықтан олар фланец, штуцер, құбырлар және бекіткіш бөлшектер жасауға қолданылады. 35Г2, 40Г2, 50Г2 болаттардан тозуға  төзімділігі жоғары, олардан осьтер, цапфалар, иінді біліктер, штоктар, тісті дөңгелектер жасайды.
3. Хроммарганецті болаттар біріктіріліп пісірілетін негізгі қосындылар мен тозуға  төзімді машина бөлшектерін жасауда қолданылады. Бұл болаттар 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА маркалы болып шығарылады. Термиялық өңделуі шынықтыру мен төменгі температуралы жұмсартудан тұрады.
4. Күрделі күштерді қабылдай алатын бөлшектер, мысалы домалау мойынтіректерін келесі маркалы ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ болаттарын шынықтыру мен жұмсарту  сияқты термиялық өңдеу арқылы сапасын арттыра отырып жасау ұсынылады. 

Аспап жасайтын болаттардың қаттылығы, тозуға беріктігі  мен жылуға төзімділігі де жоғары болуы керек. Қолданылуына қарай  мұндай болаттардан кескіш аспаптар, соғу штампылары және өлшеу аспаптарын жасауға болады.

Кесу арқылы өңдеу кезінде кескіш аспаптар жиегі 500-900°С дейін қызады, аспап қызғанда оның кесу қабілеті мен жоғары қаттылығын жоғалтпауы керек. МЕСТ 5950-83 бойынша 9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВ5 болаттары аз легірленген деп аталады және олар жақсы шынықтырылады. Мұндағы легірлеуші элементтер хром, вольфрам, ванадий. Мұндай болаттардан бұрғы, үнгі, таңбалағыш, протяжка, тескіш, штамп, фильер сияқты аспаптар жасалады.

Тезкескіш (жылдамкескіш) болаттар жоғары жылдамдықта жұмыс  істейтін аспаптар жасауға қолданылады. Маркалары Р9, Р18, Р9М5, Р9К5, Р18Ф2К5 болаттарының кескіш жылдамдығы 3-4 есе артық. Негізгі қоспаралы вольфрам, хром, молибден, кобальт. Маркалануындағы «Р» әрпі «Рапид» - жылдамдық деген сөзден алынған, одан кейінгі сан құрамындағы вольфрамның орташа толық пайыз мөлшері, қалған әріптерден кейінгі сандар құрамына кіретін элементтер мөлшері [3].

Соғу штамптарын жасауға арналған легірленген болаттардың  қаттылығы мен тозуға төзімділігі  жоғары болуы қажет. Егер штамптар тозу мен  қысым жағдайында істейтін болса, олар Х12, Х12Ф, ХГ3СВ болаттарынан жасалады. Бұл болаттардың қаттылығы шынықтырумен 480-580°С температурасында жұмсартудан кейін НRС=38....45-ке тең болады [3].

Ыстықта деформацияланатын  штамптар жасауға арналған болаттардың  жоғарыда айтылған қасиеттерден басқа  жылуға, ыстыққа төзімділігі, термотөзімділік  және жылу өткізгіштігі жоғары болуы  қажет. Бұл қасиеттер болатты 600°С дейін қыздырғанда сақталуы тиіс, ол үшін болаттарға хром, молибден және вольфрам, ал шынықтырғыш қасиетін арттыру үшін никель мен марганец қосады.

 «Материалтану» пәнінің   жалпы мазмұны арнайы   оқулықтар,   оқуқұралдары мен   силабустар   құрамына кіреді.  Дегенмен бұл  ғылыми

мақалада біз  техниканың негізгі материалы ретінде  болат материалының өндірілу жолдары, көміртек мөлшері, легірлеу әдістері, маркалануы және қолданылуы жөнінде  дидактикалық талдау жасауға әрекет еттік.

Осылайша жіктеу болат құрамының структурасына  байланысты  оның  сапа көрсеткіштерін анықтауға мүмкіндік береді. Негізінен  болаттарды химиялық құрамы мен маркіленуіне қарай ажырату студенттерге әрі жеңіл, әрі өте дұрыс та. Инженер тілі сызба екенін, ескерсек, сызбада тек қана болат маркісі көрсетіледі. Осыдан оның көкейкестілігі анықталады.

Қаралған мәселені қорытындылай келе, мынадай тұжырым  жасауға болады, олар:

1. Өндірілу (өңдеу) тәсілдеріне қарай ол мартен пештерінде, конвертер тәсілдерімен сұйық шойыннан алынады, ондағы негізгі мақсат көміртек мөлшерін азайту ғана көзделеді.
2. Болатты электрпештерінде және арнайы тәсілдермен өңдеуде оның құрамына қажетті қоспаларды қосу арқылы легірлендіріп, сапалы материал алуға жол ашылады.
3. Көміртекті болаттар конструкциялық және аспап болаттарына жіктеледі.
4. Сол сияқты легірленген болаттар да конструкциялық және аспап болаттарына бөлінеді.
5. Болат түрлері әріптік және сандық белгілермен маркіленеді. Болат маркасынан оның химиялық құрамы мен қолданылу аясын анықтауға болады.
6. Конструкциялық болаттар машинаның жеке тетіктерін жасауға арналады.
7. Аспап болаттары кескіш аспаптар, соғу жабдықтарының  бөліктері және слесарлық аспаптар мен өлшеу аспаптарын жасауға қолданылады.
8. Легірленген болаттар жауапкершілігі жоғары тетіктер мен жұмыс жағдайы ауыр аспаптар жасауға қажет.

Осылайша болаттардың өңделуін, маркіленуін, қолданылуын студенттерге үйрету, олардың білімін сапалы қалыптастыруға жол ашады.

 

Әдебиеттер

 

1. Қазақ совет энциклопедиясы. Т.2. Алматы, 1973. -378 б.
2. Самсаев М.Б., Сыздықова Б.О. және т.б. Материалтану және конструкциялық материалдар технологиясы. Оқу құралы. Алматы, 2001. -173 б.
3. Солнцев Ю.П., Прякин Е.И. Материаловедение. Санкт-Петербург, ООО «Типография Правда» 2006, -784 стр.
4. Прейс Г.А., Сологуб Н.А. и др. Технология конструкционных материалов. Киев: Вища шк., 1991. 390 с.
5. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 2002. -511 с.
6. Алай С.И. и др. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов пед. ин-тов. М.: Просвещение, 1986. -303 с.