Конструкционные материалы малой плотности: алюминиевые деформируемые сплавы, их состав, марки, термообработка, применение. Преимущества и недостатки алюминиевых сплавов по сравнению со сталями.

 

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

К таким сплавам относятся дюралюмины - (сплав Al с Cu (Cu ≈ 4%). Al-основа, также вводятся Mg, Si, Fe ≈ 1% каждого). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

 

Билет 17

1. Возврат и рекристаллизация см билет 8, вопр 1

Высокопрочные стали. Легированные стали, мартенситностареющие стали: их состав, марки, упрочняющая обработка, применение.

Легированной называется сталь, содержащая в своем составе один или несколько специально введенных легирующих элементов в количестве, заметно изменяющем свойства стали.

Принципы маркировки стали:

Марка легированной стали – буквенно-цифровой код ее химического состава.

Каждый элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита:

а) по первой букве русского названия Н – Ni; В – W; Т – Ti; Х – Cr; М – Mo; Г – Mn; Д – Cu; Ю – Al; А – N; Б – Nb;

б) по первой букве латинского названия С – Si;

в) просто условное обозначение Ф – V;

Марка легированной стали:

Если число соответствующее содержанию углерода двухзначное, то это содержание углерода в сотых долях процента, если в единицах, то это содержание углерода в десятых долях процента.

 

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенсито-стареющая сталь Н18К9М5Т (<=0.03% С, ~18% Ni, ~9% Co, ~5% Mo, ~0.6 Ti).

Кроме стали Н18К9М5Т нашли применение менее легированные мартенсито-стареющие стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т (s_в=1400¸1500МПа), Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (s_в=1600¸1800МПа), KCU=0.35¸0.6 МДж/м², s_0.2=1800¸2000МПа. Мартенсито-стареющие стали имеют высокий предел упругости s_0.002=1500МПа.

Мартенсито-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Эти стали дорогостоящие.

 

Билет 18

1. напряжения

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Отпуск

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300 ^o С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.

Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300…450^oС.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.

Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650^oС..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.

Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением

Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:

· различие температуры по сечению изделия при охлаждении;

· разновременное протекание фазовых превращений в разных участках

2. Сплавы для чувствительных элементов точных приборов. Fe-Ni-сплавы, бериллиевые бронзы, их состав, свойства, упрочняющая обработка, применение.

Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высококачественным пружинным материалом. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвергают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искусственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа.

Билет 19

См билет 4, вопр 2

2. Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы состава Al-Si, Al-Cu. Гранулированные сплавы.

Литейные сплавы: (Al + Si, Si < 13% – силумин).

– Узкий температурный диапазон кристаллизации;

– Жидкотекучесть;

– Малая усадка;

Желательно брать сплав до линии эвтектики, но не желательно переходить вправо через нее.

В этой области:

– Крупные кристаллы эвтектики;

– Наличие в эвтектике хрупких и непрочных кристаллов кремния;

Поэтому у силумина: практически отсутствует пластичность, _в = 150–170 Мпа. За счет модифицирования свойства сплава могут быть улучшены. Модификаторы (0,5% Na или Li) способствуют появлению мелкой эвтектики.

Маркировка: АЛ2 (алюминий литейный, 2 – номер сплава).

 

Билет 20

НЕ ВСЁТочечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты кристаллического строения и их влияние на физико-механические характеристики твердых тел. Механические свойства бездефектных кристаллов; нитевидные кристаллы.

Неоднородный химический состав и внешние условия вызывают дефекты кристаллической решетки. Выделяют дефекты трех типов:

1) точечные (вакансии, внедренные атомы);

2) линейные (краевые и винтовые дислокации);

3) объемные (микропоры, трещины, газовые пузырьки).

Точечные дефекты:

Вакансия – отсутствие атома в узле кристаллической решетки.

Внедренные атомы: а) чужеродный атом в узле кристаллической решетки; б) атом вне узла, в межузельном пространстве.

Линейные дефекты:

Дислокации: краевые – оборванный край атомной плоскости внутри кристаллической решетки; винтовые – условная ось внутри кристалл, относительно которой закручиваются атомные плоскости в процессе кристаллизации.

Объемные дефекты:

Возникают из-за влияния внешних условий кристаллизации или под действием внешних нагрузок. В результате несколько вакансий дают пору; несколько линейных дислокаций – трещину.

Влияние дислокаций на процесс деформирования кристалла.

Наличие дислокаций значительно облегчают движение атомных плоскостей друг относительно друга и способствует уменьшению предела прочности. В результате деформирования дислокации могут выходить за грани кристалла. Под действием значительных усилий в кристалле могут возникать новые дислокации, облегчающие деформирование кристалла (площадка текучести). Дислокации переплетаются.

См билет 6, вопр. 2

 

Билет 21

НЕТ

НЕТ

 

 

Билет 22

См билет 8, вопр 1

НЕТ

Билет 23

 

 

НЕТ

2. Сфероидизация, применяется для заэвтектоидных сталей (С>0,8%). Цель – образование сферического цементита. Исчезает цементный скелет. Кристаллы цементита приобретают правильную сферическую форму. Результат – улучшение механических свойств металла, уменьшение хрупкости, увеличение вязкости.

См. билет 9, вопр 2

Билет 24

НЕТ

НЕТ

Билет 25

1. 1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.

2. Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

3. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:

Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.

1. полный,

2. неполный

3. циклический или маятниковый отжиг

4. изотермический отжиг

5. Нормализация. – разновидность отжига.

НЕТ

Билет 26

1. Фазовый и структурный анализ диаграммы Fe-Fe_зС. Использование полиморфизма железа при термической обработке сталей.

 

Обозначения на диаграмме.

А – аустенит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe_g. Тип решетки – ГЦК. Максимальная растворимость углерода – 2,14% при температуре 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавов до t_min = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре t_min = 727° C А устойчив только при определенном содержании углерода (0,8%) – точка S. При падении температуры ниже 727° C А распадается и переходит в П.

П – перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода – 0,8%.Образуется в результате перераспределения углерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф и Ц.

Ф – феррит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe_a; ОЦК-решетка; содержание углерода – меньше 0,006% при t=20° C. Из-за малого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу.

Ц – цементит – химическое соединение Fe₃C – карбид (сложная кристаллическая решетка). С = 6,67%. Ц – самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый и прочный из всех сплавов.

Л_А – ледебурит аустенитный – эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется при температуре 1147° C (линия ECD).

Л_П – ледебурит перлитный – эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из Л_А при температуре <727° C в результате распада А.

Основные линии на диаграмме.

ACB – линия ликвидус.

AECD – линия солидус.

ECD – линия эвтектического превращения; С – точка эвтектики (ледебурит).

SE – линия предельной растворимости С в А; ниже линии С выделяется в виде Ц_II.

GS – нижняя граница устойчивости А; ниже линии часть кристаллов А теряет С и превращается в Ф, остальные кристаллы получают С и остаются устойчивыми.

PSK – линия эвтектического превращения; ниже линии А переходит в П.

PM – линия предельной растворимости С в Ф; избыточный углерод – в виде Ц_III

GP – верхняя граница ферритной области; для любой двухфазной области диаграммы применимо правило отрезков.

Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% – доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% – доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).

Превращения в сплавах Fe и С.

В технике применяется железо с содержанием углерода до 2,14%.

1) Доэвтектоидная сталь:

Для 4–4': k = 2; f = 3 (Ф + А + Ц); с = 2–3+1=0 (t = const).

1–2 – первичная кристаллизация А из жидкости

2–3 – охлаждение А (превращений нет)

3–4 – диффузионное перераспределение углерода, образование Ф, повышение содержания углерода в А.

4–4' – распад А, образование П.

Ниже 4' – охлаждение сплава, выделение избыточного углерода из Ф (Ц_III).

 

Полиморфизм – свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Feα Û Feγ

2. Критерии…

Конструкционная прочность – комплексная хар-ка, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Характеристики прочности и жесткости:

1) Прочностные хар-ки: временное сопротивление , предел текучести , предел выносливости -1)

2) Упругие хар-ки: модули упругости E и G

Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению. Д олговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Характеристики надежности и долговечности:

3) Пластичность δ, ψ, ударная вязкость KCU, KCV, вязкость разрушения, порог хладноломкости,

4) Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии.

Способы повышения прочности:

2) Металлургические, 2) технологические, 3) Структурные

Металлургические – повышение чистоты Ме, удаление вредных примесей (S, P, газообр эл-тов – O, H, N, оксидов, сульфидов) – переплав, рафинирование и др.

Легирование – карбидообр эл-ты (Ni, V, Mo, Cr) образуют карбиды при выплавке, задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад мартенсита. Некарбидообр эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Cu) замедляют диффузию.

Все лег эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, атомы внедрения (C, O, H, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их.

Закалка+старение – дисп частицы вторичной фазы создают сильное торможение дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо огибать частицы.

Поверхностное упрочнение – осн метод повышения тв-ти слоя и препятствующий зарождению пов трещин. (ППД, цементация, нитроцемент, азотир, закалка ТВЧ).

ВТМО – стр-ра с выс пл-тью дислокаций и достаточно равномерным их распределением вследствии сильного дробления на отдельные субзерна.

Билет 27

См билет 20, вопр 1

2. Магний и его сплавы

 

Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см³. Температура плавления – 650^oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420^oС, старение при температуре 260…300^oС в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа.

 

Билет 28

НЕТ

2. 2. Титан и сплавы на его основе. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана и свойства a, a + b и псевдо-b сплавов, Термическая обработка сплавов.

 

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680^oС.

Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.

При температуре 882^oС титан претерпевает полиморфное превращение, α–титан с гексагональной решеткой переходит в β– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500^oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими: сочетание высокой прочности (σ_в=800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (δ=12…25%); малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность; хорошая жаропрочность, до 600…700^oС;

высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 21.1.

 

Рис.21.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана:

 

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α— твердого раствора и называются α–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β– твердого раствора и называются β– стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.

Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.

В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α или α+β.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой.

Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.

 

Области применения титановых сплавов:

· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

· оборудование для обработки ядерного топлива;

· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС).

 

Билет 29

НЕТ