Термическая обработка сталей

Термическая обработка сталей

 

1. Предварительная термическая обработка.

Цели:

- НВ ―› min (для облегчения механической обрабатываемости);

- устранить структурную деформацию (крупное зерно, цементитная сетка).

1. Окончательная термическая обработка.

Цель - получить структуру и свойства, требующиеся по условиям эксплуатации:

- max НВ (инструменты, подшипники);

- сочетание (σ_U, НВ, δ, КСU).

 

Стали:

1) конструкционные (детали машин, < 0.7% С, маркировка 30, 35, 40);

2) инструментальные (max НВ, инструменты, (0.7 - 2.14)% С, маркировка У8, У10.

 

1. Предварительна термическая обработка

 

1.1. Конструкционные стали

Цели:

- НВ ―› min;

- изменить размер зерна;

 

1.2. Инструментальные стали

Цель:

- НВ ―› min;

Отжиг инструментальной стали сделать нельзя, т.к. получится структура, в которой нельзя получить тяжелую структурную деформационную сетку и min прочность.

 

Изготовление детали:

 

1. Окончательная термическая обработка

Она всегда упрочняющая, связана с получением структуры мартенсита, включает операцию закалки.

 

Закалка сталей

Выбор температуры нагрева.

Цель закалки – получить max твердость без излишней хрупкости.

Конструкционная сталь:

 

Тем-ра	Структура при нагреве	Структура после быстрого охлаждения	Результат
t1	Ф+П	Ф+П	НВ повыситься не может
t2	А~0.8+Ф~0.02	М~0.8+Ф~0.02	НВ повышается, но не до max из-за феррита
t3	Ах1	Мх1	НВ max
t4	Ах1 крупнозернистый	Мх1 крупнокристаллический	НВ почти max, но излишняя хрупкость

Полная закалка:

˚С

 

Инструментальная сталь:

 

Тем-ра	Структура при нагреве	Структура после быстрого охлаждения	Результат
t2	А~0.8+ЦII	М~0.8+ЦII+Аост(мало)	НВ max
t3	Ах2 крупное зерно	Мх2+ Аост(много) крупнокристаллический	Не max НВ из-за Аост и хрупкость из-за М

Неполная закалка:

˚С

 

Примечание:

После закалки в инструментальной стали неизбежен остаточный аустенит, поэтому закаленный инструмент сразу подвергается обработке холодом.

 

Обработка холодом.

● до -40˚С – холодильные камеры;

● до -70˚С – сухой лед СО₂;

● до -196˚С – жидкий азот N₂.

 

Выбор условий охлаждения:

V_охл > V_крит

 

Для стали углеродистой:

● вода (~600˚С/сек);

● вода+NaCl (10%) (~1200˚С/сек);

● вода+NaОН (10%) (~1400˚С/сек).

I – студить быстро;

II – студить медленно.

 

Для стали легированной:

● масло (~60˚С/сек);

● brcox (~50÷250˚С/сек);

 

Проблемы:

 

1. При быстром охлаждении любая сталь остывает неравномерно, возникают огромные закалочные напряжения.

 

Закалочные напряжения:

- термическое (из-за неравномерного термического сжатия);

- структурное (из-за неравномерного протекания мартенситного превращения, идущего с увеличением объема).

Итог: если структурные напряжения накладываются на термические, то возникает коробление детали, возле концентратора напряжения возникает трещина.

 

Способы закалки:

(1) – закалка в одном охладителе, max закалочные напряжения; нужно только для деталей простой формы;

(2) – закалка в 2-х охладителях вода-масло;

(3) – закалка ступенчатая (выдержка короткая, для выравнивания температуры), термические напряжения ―› 0;

(4) – закалка изотермическая.

 

Если закалочные напряжения ―› 0, то прочность уменьшается.

Лишние концентраторы напряжения убирают.

 

2. В любой охлаждающей среде массивная деталь быстро не остынет.

У каждой стали есть свое значение прокаливаемости.

 

(1) - V_охл поверхности, М;

(2) - V_охл сердцевины, П+С+Т+Б+М.

 

Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину в конкретном охлаждении.

 

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке, f(%C).

Закаленным считается слой, в котором мартенсита ≥ 50%.

HRC_ПМЗ – твердость полумартенситной зоны. Для определения прокаливаемости используют метод торцевой закалки.

прокаливаемость определяется как либо Δ, либо D_крит – критический диаметр (Δ+2 ~18 мм).

 

Прокаливаемость зависит от:

- химического состава стали;

- охлаждающей способности среды.

 

Чем быстрее скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость.

 

среда	Δ	Dкрит, мм
Вода	0.6% С
Масло	0.6% С

 

Закаленные стали имеют значительные закалочные напряжения, крайне неравновесную структуру Н, max HB, min δ.

Не устраивает значение закалочного напряжения и min δ, поэтому закалка – не последняя операция, сразу после нее необходим отпуск стали.

 

Отпуск закаленной стали

Отпуск – нагрев закаленной детали с целью понижения закалочных напряжений и получения структуры и свойств, требуемых по условиям эксплуатации.

 

Общие представления о ХТО

 

Химико-термическая обработка (ХТО) – обработка готовых деталей, сочетающая в себе и химические, и термические воздействия, при которой происходит диффузионное обогащение поверхности атомами одного или нескольких компонентов.

Цель: изменить химический состав, структуру, а следовательно и свойства поверхности.

 

1. Условия для ХТО

● насыщающий компонент растворяется в решетке основного Ме;

● температура должна обеспечивать диффузию;

● деталь должна быть окружена средой, содержащей насыщенный компонент.

 

1. Стадии процесса ХТО

● образование насыщающего компонента в активированном виде (атомы, ионы);

● адсорбция (закрепление) частиц на поверхности, образование градиента концентрации;

● диффузия – самая медленная стадия (быстрее пойдет процесс с атомами внедрения, замещения – медленнее). В итоге образуется диффузионный слой.

Диффузионный слой в этом случае (рис. 101)– твердый раствор, у которого концентрация атомов В постепенно понижается до 0.

 

Обогатить можно (рис. 102), но только в ГЦК решетке Fe, т.е. при температуре выше 911˚С. В этом случае диффузионный слой имеет сплошное строение, слой повторяет структуру диаграммы состояния.

Структура слоя определяется видом диаграммы состояния.

 

Цементация

 

Цементация - это процесс насыщения поверхности стальных деталей углеродом.

Цель: получить на поверхности высокую твердость, а в сердцевине сохранить вязкость.

Такие детали используют для работы в зоне трения и ударных нагрузок.

Стали для цементации должны быть:

● с низким содержанием C: %С ≤ 0,25%;

● обогащаем до концентрации 0,8-1,2%;

● температура насыщения 930˚С;

● среда – карбюризатор

а) твердый (древесный уголь);

б) жидкий (бензол, керосин);

в) газовый (метан);

● детали – зубчатые колеса, поршни, кольца;

● толщина – в зависимости от нагрузки:

а) средние контактные давления 0,5-0,8 мм;

б) большие контактные давления 1-1,2 мм;

● время – долго, тв. ~ 0,1 мм/час, газ ~ 0,2 мм/час при температуре 930˚С. При 10 часах размер зерна увеличивается, используются только природномелкозернистые стали;

● структура слоя:

П+Ц

П

Ф+П

основа

 

Самонасыщение поверхности углеродом твердости не дает;

● сложности ХТО:

а) цели: max твердость поверхности + вязкая сердцевина + измельченное зерно + устранение цементационной сетки;

б) получается фактически 2 стали – сердцевина (констукционна), поверхность (инструментальная).

 

Варианты ХТО

 

I – измельчение зерна, устранение цементационной сетки;

II – max твердость поверхности ―› М+Ц;

вязкая сердцевина ―› Ф+С;

 

Газовая цементация:

Поверхность М+Ц, высокая твердость, сердцевина вязкая.

 

Итог: очень высокая твердость поверхности HV (измерение алмазным конусом), HV ~ 7000.

 

Недостатки:

1. Длительные выдержки + закалка сопровождаются короблением детали, т.е. уходит форма, поэтому при доводке размеров применяется шлифовка и частично снимается диффузионный слой.
2. Высокая твердость поверхности не удерживается при разогреве зубчатого колеса > 100-150˚С. Цементация не применяется для высокоточных и высокоскоростных деталей, зубчатых передач.

 

 

Азотирование

 

Азотирование – насыщение поверхности деталей азотом.

t_нас ~ 500-600˚C

Закалка не нужна.

Fe2N	нитриды
Fe4N
азотистый феррит
основа

 

HV ≥ 5000

Если в сталях есть Cr, Al, Mo, то нитриды имеют HV ≥ 10000-12000.

 

● стали с %С ~ 0,35-0,4% + Сr (2-3%), Al (1%), Mo (0.5%);

● t = 500-600˚С;

● среда – NH₃, N₂;

● толщина – 0,3-0,5 мм;

● время – 48 часов/0,5 мм;

● детали – высокоточные детали зубчатых и червячных передач.

 

Пример маршрута обработки детали:

Заготовка ―› предварительная ТО ―› предварительна мех. обработка ―› улучшение (закалка + высокий отпуск, 500-600˚С) ―› окончательная мех. обработка ―› азотирование 500-600˚С

 

Достоинства азотирования:

1. При азотировании не изменяется структура сердцевины детали, следовательно нет коробления, не нужна доводка точных размеров.
2. Нитриды сохраняют твердость при нагреве до 250˚С, но очень долго.

Ионные методы ХТО

 

Процессы ведутся в плазме тлеющего разряда.

U = 300-1000 B;

N₂ - 1ē ―› N₂¹⁺

Газ ионизированный. Ион азота бомбардирует катод (деталь):

1) идет катодное распыление (очистка поверхности детали от оксидов);

2) резко облегчается адсорбция;

3) поверхность детали разогревается.

Поэтому:

1) процесс ускоряется в 2-3 раза;

2) процесс управляется через давление газа, расход газа, разность потенциалов;

3) экологически чистый процесс.

 

 

ЧАСТЬ 3

 

Требования к структуре и свойствам пружинных материалов

 

Пружины:

1. Силовые (рессоры, подвеска, амортизаторы)
2. Упруго чувствительные элементы (УЧЭ) (датчики, измерители)

 

Е	Евыс	Ениз
	σраб < σ0,01	σраб < σ0,01/0,02
Выносливость	σраб < σR^N	-
РН	< 5-15%	< 2-5%
Специальные требования	Иногда: коррозионностойкие, теплостойкие	Как правило: коррозионностойкие, немагнитные, электрические проводники

Для упругой деформации Ме необходимо, чтобы у него не было перемещения дефектов.

Структура пружинного материала: предельно заблокированы все дислокации.

 

Износостойкие материалы

 

Вообще износостойких материалов не существует, но существуют материалы, устойчивые в конкретных условиях изнашивания.

 

1. Ме, устойчивые против абразивного изнашивания

Н_дет ≥ 0,5-0,7 Н_{абразива};

Твердости:

- песок (SiO₂) ~ 10000 МПа;

- корунд (Al₂O₃) ~ 20000 МПа;

- алмаз ~ 150000 МПа;

- нитрид бора (BN) ~ 60000 МПа;

- SiC ~ 37000 МПа;

- TiC, VC ~ 29000 МПа;

- WC ~ 21000 МПа;

- Mo₂C ~ 15000 МПа.

Все супертвердые свойства одновременно суперхрупкие – изменяются только в качестве компонентов в твердых материалах.

 

Примеры:

1) твердые сплавы (порошковая технология):

частицы карбида (80-95%) + связка (кобальт - порошок)

ТК15 – вставки в кромку режущего инструмента для самых сложных работ;

 

2) быстрорежущие стали (традиционные технологии):

[Р18 (18% W), Р9 (9% W), Р6М5 (6% W, 5% Mo)] + [0,9% С, 4% Cr, 1,5% V] – самая сложная термическая обработка 1260°С закалка + 3 отпуска при 560°С, самая большая твердость HRC 64-67

Изготавливают режущие инструменты для тяжелых видов работ;

 

3) против абразивов рекомендуют материалы, у которых твердость при нагреве сохраняется благодаря большому количеству карбидных частиц.

 

1. Материалы, устойчивые против ударно-абразивного изнашивания

Стали Гадфильда – 110Г13Л – сталь аустенитного класса, НВ ~ 2000 МПа.

При ударных нагрузках поверхность наклепывается, до 5000-6000 МПа, середина остается вязкой, чем дальше работает, тем лучше стоит против ударно-абразивных нагузок.

 

Применение:

- гусеницы тракторов и танков;

- ковши экскаваторов;

- железнодорожные стрелки;

- отбойные молотки.

Применяются только отливки.

 

1. Материалы, устойчивые против усталостного изнашивания (зубчатые колеса и подшипники)

- конструкционная прочность;

- анализ ситуации;

- материалы с марками.

Сминается микронеровность:

При многократном нагружении образуется «язык» - возникают трещины. При перекатывании точки контакта под «языком» зажимается смазка и рывком продвигает трещину вглубь, выкрашиваются значительные микрообъемы и питтинг.

Против усталостного изнашивания устойчивы материалы с высокой контактной выносливостью, у которых предотвращено смятие микронеровностей в поверхностных слоях, благодаря высокой твердости поверхности.

Стали для подшипников качения имеют следующие свойства:

- усталостное изнашивание;

- min разогрева;

- min ударной нагрузки;

- min цену.

ШХ4 (0,4% Cr), ШХ15 (1,5% Cr).

ТО – неполная закалка 820-840°С, масло + низкий отпуск 160°С (HRC ~ 60-64), М_отп.

Стали для зубчатых колес – усталостное изнашивание, min разогрев, ударный нагрев.

ХТО:

– высокое контактное давление - цементация 1-1,4 мм + упрочняющая ТО (закалка + низкий отпуск) - 20ХН3А;

- среднее контактное давление + высокоскоростные передачи – азотирование 0,3-0,5 мм – 38Х2МЮА.

 

Антифрикционные материалы

 

Для изготовления подшипников, опор скольжения, для сложных высокоскоростных валов (турбин, электродвигателей), нельзя применять подшипники качения из-за трения.

Требования:

1) min коэффициент трения на валу, min 3 контакта с валом, легкая подача смазки, быстрый отвод продуктов износа

2) min износ в точках контакта, высокая твердость;

3) легкая прирабатываемость – min НВ;

4) отсутствие схватывания – мягкие Ме (Cu, Sn, Pb), А-Ф всегда состоят из разнородных мягких и твердых фаз.

 

Материал выбирают по f_тр и по р, V_уд, где р – давление вала:

1) мягкая матрица и твердые включения, твердая матрица и мягкие включения:

баббиты Sn или Pb – Sn+8Sb+3Cu+Cd, f_тр ~ 0,005,

баббиты размягчаются при 100°С, используются как вкладыши опоры в цельном методе заливки;

 

2) Cu + 30% Pb (твердый материал + включение)

Бронза: f_тр ~ 0,008, высокоскоростные валы электродвигателей, из-за высокой теплопроводности серый чугун.

 

Автоматные стали

- сернистые А12, А20 (%S до 0,35, %Р до 0,15);

- свинцовые АС14 (%Pb до 0,14).

Для ТО не годны, это такие детали, как болты, шпильки.

V точения 20000 м/мин, самая крупная обработка у сталей аустенитного класса.

 

1. Стали с высокой технологической пластичностью для обработки давлением

 

Легче работают стали в нагруженном состоянии, применяется горячая обработка давлением:

- нагреть до аустенитной области;

- t_диф ―› t_рекр

Специальные стали необходимы для деформирования тонких сечений, где неизбежна холодная деформация.

Медь и ее сплавы

 

1. Физико-химические свойства меди

 

t_{пл. Cu} = 1083°С, ГЦК-решетка, Е ~ 125000 МПа, плотность d ~ 8,9 г/см³;

t_{пл. Fe} = 1539°С, Е ~ 210000 МПа, плотность d ~ 1.8 г/см³.

 

Медь немагнитный Ме, электропроводность σ отличная (2-е место после Ag).

ρ_Cu = 1/σ_Cu = 0.017 мкОм●м;

ρ_Ag = 1/σ_Ag = 0.015 мкОм●м.

 

Теплопроводность λ отличная:

λ_Cu = 400 Вт/м●град;

λ_Аg = 420 Вт/м●град.

Теплопроводность резко ухудшается при введении любых легирующих элементов.

Маркировка:

- дорогая медь:

М 000 – 99.999%;

М 00 – 99.99%;

- техническая медь:

М 1 – 99.9%;

М 2 – 99.7%

М 3 – 99.5%.

Медь имеет очень высокую коррозионную стойкость. Стоит и в атмосфере и в морской воде. Это полублагородный Ме.

Не схватывается со сталью и чугуном.

 

2. Механические свойства меди

 

После отжига:

 

σU (σB), МПа	σ0,2, МПа	ψ, %	δ, %	НВ

По сравнению с Fe медь мене прочна, более пластична: σ_0,2/ σ_U = 1/3 – высочайшая технологическая пластичность.

 

3. Технологические свойства

 

● технологическая пластичность отличная, легко деформируется в холодном состоянии вплоть до фольги;

● обрабатываемость резанием удовлетворительная (улучшается путем добавления Pb);

● свариваемость плохая (Si), но паяется хорошо;

● литейные качества (Sn).

 

 

Применение:

- электротехнические цели;

- теплообменники и радиаторы.

 

4. Сплавы меди

 

1) латуни – Cu+Zn (двойные), Cu+Zn+лег.эл. (легированные латуни);

2) бронзы – Cu+Sn (оловянные), Cu+Al (алюминиевые), Cu+Si (кремниевые), Cu+Be (бериливые), Cu+Pb, Cu+Cr. Также все это может быть с лег.эл. (Fe, Ni, Zn, P);

3) декоративные и специальные – Cu+Ni+ лег.эл. – мельхиор, монеты, детали для реостатов.

 

Обозначения:

Sn (О), Zn (Ц), Pb (С), Si (К), P (Ф), Al (А), Fe (Ж), Ni (Н), Mn (Мц), Be (Б).

4.1. Латуни

Латуни Cu+Zn – двойные (δ до 41%)

Маркировка:

- однофазные Cu+Zn (%Zn ≤ 30-32), Л96, Л90, Л85, Л68, это очень пластичный материал, идет на изготовление деталей методом пластической деформации (обработка давлением);

- двухфазные Cu+Zn (%Zn ~ 33-41), Л62, Л60, Л59, это самые дешевые латуни, прочность высокая, а пластичность низкая (обработка резанием)

 

Легированные латуни

Маркировка:

- деформируемые ЛАЖ(все лег.эл.) 60(%Cu)-1(%Al)-1(%Fe)

ЛС59-1, ЛК80-1;

- литейные ЛЦ30А3.

 

Латуни – хороший конструкторский материал, но у них низкая прочность.

 

4.2. Бронзы

1) деформируемые

Маркировка:

БРОЦС-4(Sn)-4(Zn)-2,5(Pb)

Подряд все литейные элементы;

2) оловянные (Sn ≤ 12%)

- пружинные: Бр09-6,5-0,15 – деформация (50-70%) + рекристаллизационный отжиг 250-280°С,

- отливки: Бр06Ц6С1, усадка 0,8%, художественные литье

- А-Ф материалы: Бр05Ц5С5 (мягкая матрица + твердые включения);

3) алюминиевые (Al до 9%)

БрА7 – для холодной штамповки, БрА9Ж3 – технологическое литье (гребные винты), БрАЖ9-4 – деформируемые (для вакуумной техники), σ_U ~ 700 МПа;

4) бериллиевые

БрБ2 – закалка + старение (σ_U ~ 1200МПа), закалка + деформация + старение (σ_U ~ 1400 МПа)

Самые прочные медные сплавы, самые лучшие материалы для пружин (измерительных), для искробезопасного элемента (токсичен);

5) свинцовые

БрС30, Pb ~ 30%, наилучший А-Ф материал (твердая матрица + МКМ включения).

 

Итог:

Медные сплавы имеют ценное сочетание свойств, однако, это дорогой и тяжелый конструкционный материал, применяется там, где незаменим:

1) теплообменники (теплопроводность);

2) пружины (немагнитность + коррозионная стойкость);

3) детали судостроения (немагнитность + коррозионная стойкость + литейные качества);

4) художественные цели (коррозионная стойкость + литейные качества);

5) зубчатые, червячные передачи;

6) А-Ф материалы (не схватывается со сталями и чугунами).

 

Алюминий и его сплавы

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 660°С, ГЦК-решетка, Е ~ 71000 МПа, плотность d ~ 2,7 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость хорошая σ_Al ~ 0,7 σ_Cu;

● теплопроводность хорошая λ_Al ~ 0,55 λ_Cu;

● коррозионная стойкость, стоек с пищевыми продуктами, не стоит в морской воде, стойкость зависит от чистоты (чем больше чистота, тем выше стойкость), Mn – единственный элемент, который повышает его коррозионную стойкость;

● очень склонен к схватыванию (в зонах трения не идет).

 

Маркировка:

- особой чистоты:

А999 – 99,999%;

А95 – 99,95%;

- технический:

А8 – 99,8%;

А1 – 99,7%;

А0 – 99,0%.

1. Механические свойства

 

	σU (σB), МПа	σ0,2, МПа	δ, %	НВ
особой чистоты
технической чистоты
декоративные	140-150

 

● пластичность – легко деформируется;

● резание удовлетворительное;

● сваривание хорошее;

● литье удовлетворительное.

 

1. Применение

 

1) электротехнические цели;

2) пищевая промышленность.

 

1. Сплавы Al

III – литейные

[Al+Si] – силумины, АК12 (12% Si)

σU (σB), МПа	δ, %
~180

АК8М (8 Si + 1,5%Cu + 0,2%Ti + 0,4%Mg)

Сложные корпусные детали, литье под давлением.

 

Пластмассы

 

Строятся на базе полимеров (CH₃-, C₆H₅-).

 

1. Линейное строение

 

Гибкие молекулы, сильные связи внутри молекулы, между молекулами связи нет.

При нагреве размягчаются, при охлаждении затвердевают (превращения обратимы и повторяются не один раз).

 

Термопластичные пластмассы

 

Полистирол, полиамид, ПВХ.

Преимущества:

1) удобные технологии изготовления;

2) усадка мала ≤ 3%;

3) относительно низкая хрупкость.

 

Недостатки:

1)

низкая теплостойкость;

 

2)

прочность уменьшается от времени (старение = деградация).

 

Пример:

Фторопласт-4

T_экс. = 250-269°С, σ ~ 10-30 МПа, плотность d ~ 2 г/см³, f_тр = 0,04;

Стоит в растворах воды, щелочей, кислот.

Применение: вакуумная техника.

Недостатки:

● σ_U ≤ 100 МПа;

● Е ~ 2000-3000 МПа;

● низкая теплостойкость;

● деградация.

 

2. Сетчатое строение

 

В результате химической реакции устанавливается связь между молекулами, один раз затвердевает и при нагреве без разложения распадается.

 

Термореактивные пластмассы

 

Полиэфир, полиуретан, эпопсиды, фенолформальдегид.

Наполнители:

- сыпучие (тальк);

- волокна;

- слои (ткань).

 

 

Недостатки:

● усадка 12-15%;

● хрупкость.

Достоинства:

● имеют высокую теплостойкость;

● форму можно получить без давления.

Вариант наполнителя:

Эпоксидная смола + волокна (бор, углерод, стекло)80%

волокна	σU (σB), МПа	d, г/см^3	У.П., км	У.Ж., км
бор
углерод		1,5
стекло		2,2

 

Итог:

Если пластмассы сравнивать с Ме, то у них более дешевый материал, очень легкий, коррозионной стойкости нет, хорошие теплоизоляторы.

 

Титан и его сплавы

 

В земной коре: Al, Fe, Mg, Ti.

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 1670°С, при 882°С: ГПУ-решетка - Ti_α и ОЦК-решетка - Ti_β, Е ~ 112000 МПа, плотность d ~ 4,6 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость низкая σ_Ti ~ 0,04 σ_Cu;

● теплопроводность крайне низкая λ_Ti ~ 0,05 λ_Cu;

● очень склонен к газопоглощениям: Н₂ при t ≥ 50°С, О₂ при t ≥ 400°С, все газы при t ≥ 500°С;

● имеет высочайшую коррозионную стойкость во всех средах, в том числе и биологических, не ржавеет в царской водке (TiO₂);

● восстанавливается мгновенно, т.к. имеет высокое сродство к О₂.

 

В природе TiO₂ имеет сильнейшие межатомные связи.

TiO₂ ―› термический способ ―› Ti – губка (полуфабрикат).

Из губки получают:

- порошок + спекание + прессование;

- многократный переплав.

 

Выводы:

1) цена 1кг – 15-20$;

2) примеси (получен грязный Ti), при условии получения самого чистого иодидного Ti число примесей 0,1-0,2%, в технических сплавах ВТ1-00 – 0,4-0,5%, ВТ1-0 – 0,5-0,7%;

3) склонен к схватыванию.

2. Механические свойства

	σU (σB), МПа	KCU, мДж/м^2	δ, %	НВ
иодидный	220-260	2,5	50-60	1070-1080
ВТ1-00	300-450	1,2-2		1100-1400
ВТ1-0	400-550	1-1,5		1300-1600

 

 

● при одинаковой пластичности Ti в 2 раза прочнее и тверже железа;

● свойства Ti очень сильно зависят от количества примесей.

 

ВТ1-0/tисп, °С	σU (σB), МПа	KCU, мДж/м^2	δ, %
-196 (жидкий N2)		0,8
-253 (жидкий О2)		0,6

Нет явной хладноломкости, т.к. решетка ГПУ.

 

3. Технологические свойства

 

● пластичность хорошая, деформируется до тонкого листа;

● резание – крайне плохое;

● свариваемость (защита от газов);

● литейные качества (защита от газов).

4. Применение

● геттер (поглотитель газа) – губка;

● химическая промышленность;

● протезы;

● декоративные цели.

 

5. Сплавы Ti

 

1) легированный α-стабилизатор

Линия перемещения растворимости не применяется, т.к. Ti₃Al очень хрупкий.

При введении Al температура β―›α превращения повышается, значит, при любой скорости охлаждения превращение пойдет диффузионно, неравномерную структуру получить нельзя.

Ti + Al (до 6%) ―› α-сплавы Ti (твердый раствор, ГПУ)

● всегда прочнее Ti;

● всегда легче Ti;

● сильнее чувствительнее к Н₂.

ВТ5: Ti+Al(5%), σ_U = 750-950 МПа, δ = 10-14%, упрочняющей ТО нет, упрочнять можно только наклепом.

 

3) легированный β-стабилизатор

 

При введении таких элементов температура β―›α превращения понижается, значит, при использовании быстрого охлаждения можно в сплавах получить неравновесные структуры: вместо 2-х фаз получим одну, либо α’ мартенсит, либо β’ – нестабильную.

Нагрев до β-области:

Для таких сплавов существует упрочняющая ТО – закалка + старение.

 

4) Ti + β-стабилизаторы + Al – (α+β)-сплавы Ti

● псевдо-α-сплавы:

ВТ4 (Ti + 4%Al + 1-2%Mn), %лег.эл. ≤ 5.

Без ТО:

σU (σB), МПа	δ, %
700-900	10-12

 

● мартенситные:

%лег.эл. ~ 5-10%

ВТ6 (Ti + 6%Al + 5%V)

ВТ16 (Ti + 3%Al + 5%V + 5%Mo)

 

Упрочняющая ТО:

	σU (σB), МПа	δ, %
ВТ6	1100-1250
ВТ16	1300-1400	6-7

 

● переходный класс:

%лег.эл. ~ 10-15%

ВТ22 (Ti + 5%Al + 5%V + 5%Mo + 1-2%Cr)

σU (σB), МПа	δ, %	d, г/см^3	У.П., км
	4-5	4,8

 

● псевдо-β-сплавы:

%лег.эл. ~ 15-20%

ВТ15 (Ti + 5%Al + 8%Mo + 11%Cr)

σU (σB), МПа	δ, %	У.П., км

 

Итог:

1) цена;

2) более пластичны, т.к. β-фаза имеет 48 плоскостей скольжения, хуже сваривается, менее хладостойки, менее чувствительны к воздуху.

Применение:

У.П. + коррозионная стойкость – авиация, ракетостроение, подводные лодки, химическая промышленность, инвалидные коляски, спортивный инвентарь.

 

Недостатки:

1) теплопроводность низкая (для закаливания сплавов могут быть применимы небольшие сечения);

2) E_низк, для несущих длинных деталей Ti сплавы не применимы, искусственно повышают жесткость.

 

 

Берилий и его сплавы

 

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 1284°С, ГПУ-решетка, Е ~ 310000 МПа, плотность d ~ 1,85 г/см³, У.Ж. ~ 16000 км;

Применим, где требуется стабильность размеров под нагрузкой (гироскопы).

 

 

● теплопроводность λ_Be ~ 0,5 λ_Cu;

● скорость распространения звука в аккустических системах 12600 м/с;

● имеет очень высокую радиационную стойкость.

 

2. Механические свойства

 

Губка ―› многократное переплавление (очистка) ―› размалывание на порошок ―› спекание ―› горячее прессование ―› выдавливание.

 

	σU (σB), МПа	δ, %
литой		1-2
спекание	370-450	2-4
выдавливание	650-800	8-13

 

 

3. Технологические свойства

● обрабатываемость давлением;

● резание (как Ti);

● сварка (с защитой от газов);

● литейные качества (отливки не получаются).

 

4. Сплавы Ве

R_Be ~ 1.13 Å

Be + 30%Al

δ_. = 5%, Е ~ 205000 МПа, плотность d ~ 2 г/см³, σ_U ~ 400-500 МПа, У.П. ~ 25 км, У.Ж. ~ 10000 км.

 

Композиционные материалы

 

Материалы, в которых с помощью соответствующих технологий соединены разные составляющие. При этом каждый компонент сохраняет свой состав, структуру и свойства.

К.М.:

1) ДКМ (дисперсноупрочняемые КМ), наполнители – мелкие частицы, расположены по-разному;

2) ВКМ (волокнистые);

3) СКМ (слоистые).

 

1. ДКМ – матрица ориентированная дисперсными частицами.

Матрица – не несет нагрузку, частицы – тормозят движение дислокаций.

, f – объемная доля.

λ_min = 0.015 мкм – предел, ближе которого частицы не приближаются – потеря пластичности.

Реально:

d ~ 0.01-0.1 мкм

λ ~ 0.1-1 мкм

f ~ 2-15%

Вывод: свойства ДКМ зависит от размера и количества частиц, но не зависит от свойств самих частиц.

ДКМ: способ сохранения прочности при нагреве до температуры 0,95t_пл, т.е. они являются жаростойкими (t ≤ 700-750°С) или жаропрочными (t > 750°C) материалами.

При условии, что частицы Ме будут рассматриваться в матрице:

1) Al+Al₂O₃, t_экспл ≤ 500°С, σ_U ~ 400 МПа, δ_. = 4%, САП ~ 3-15%;

2) Ni+ThO₂(HfO₂), жаропрочные до 1200°С(950°С).

Идея ДКМ применима для создания материала высокой теплостойкости и жаропрочности.

 

2. ВКМ – волокна, несут нагрузку. Матрица – связывает и перераспределяют нагрузку между волокнами.

- нагрузка, передаваемая на волокна.

- max нагрузка при нагреве.

Max нагрузку можно передать только на «длинные» волокна, если волокно l < l_кр требует больших касательных напряжений, их не выдержит сцепление.

● свойства ВКМ зависят от размеров волокон, от прочности их сцепления, от количества волокон, от свойств самих волокон.

 

волокна	σU (σB), МПа	Е, МПа	d, г/см^3
борное	~3000		2,6
углеродное	~2500		1,7
SiC	~3000		3,2
стекло	~4500		2,5
усы SiC	~3600		3,2

 

Пример: Al (легкая пластичная масса) + волокна В и С (40-50% по объему).

 

волокна	σU (σB), МПа	d, г/см^3	У.П., км	У.Ж., км
В	~1200	2,6
С	~1000	2,2

 

● при правильно подобранной матрице ВКМ обеспечивают достижение необычайно высоких удельных характеристик: У.П. и У.Ж.;

 

● ВКМ – самые надежные конструкционные материалы: у них не может быть внезапного хрупкого разрушения, они не чувствительны к концентраторам напряжений, не подвержены усталости.

 

Электрохимическая коррозия

 

1.1. Взаимодействие Ме с электролитом

Вначале Me ―› Meⁿ⁺ + nē, затем при переходе в раствор некоторого количества атомов на Ме накапливаются избыточные электроны, процесс перейде