Теория конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

10. Изобразите диаграмму состояния сплавов системы алюминий-кремний, опишите ее. Определите состав и количественное соотношение фаз сплава с 5% кремния при температуре 6000С

Характерным представителем алюминиевых литейных сплавов являются силумины - это сплавы алюминия с кремнием, обычно содержащие 10 - 13 %Si (AK12) (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния «алюминий - кремний»

Микроструктура литых доэвтектических силуминов состоит из светлых дендритов a - твердого pacтворa кремния в алюминии и двойной эвтектики a + Si игольчатого типа, рис. 8в (т.к. растворимость Al в Si при комнатной температуре составляет 0,05 % , допустимо считать, что в структуре сплавов при низких температурах присутствует не b -твердый раствор, а кремний).

Рис. 2. Микроструктура силуминов (справа - схематическое изображение):

а) доэвтектический,

б) эвтектический

в) заэвтектический,

г) модифицированный.

Микроструктура сплава эвтектического состава состоит из эвтектики a + Si. При обычном способе литья эта эвтектики имеет грубое строение (рис. 2б). Кремний в ней находится в виде грубых игл. В силуминах заэвтектического состава первично кристаллизуются многогранные кристаллы Si светло-серого цвета (рис. 2в). Кремний хрупок, поэтому силумины имеют низкие механические свойства (s b = 120 - 160 МПа, d = 1 - 2 %). Чтобы избавиться от грубой эвтектики и первичных кристаллов, сплавы модифицируют, т.е. перед разливкой в расплав вводят небольшое количество натрия (0,05 - 0,08 % к массе сплава) или кальция, бора. В результате модифицирования (рис. 7 - пунктир) увеличивается концентрация кремния в эвтектике (с 11,7 % до 15 %) и сплавы переохлаждаются относительно равновесно эвтектической температуры 577 °С. Силумины заэвтектического состава, содержащие 11,7 - 15 % Si, становятся доэвтектическими, и в их структуре вместо первичных хрупких кристаллов кремния имеются дендриты пластического a -твердого раствора (рис. 2г). Переохлаждение приводит к формированию в структуре мелкозернистой эвтектики.

Модифицирование улучшает не только механические свойства силуминов (s b = 170 - 200 MПа, d = 3 - 5 %), но и литейные. Модифицированные силумины хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость.

Для повышения прочности двойные силумины легируют магнием, медью и подвергают термической обработке.

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы условно делятся на следующие группы:

1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АК12, АК8);

2) высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5, АК5М);

3) коррозионно-стойкие сплавы (АМг10; АЦ4Мг).

При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия. Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижении подвижности последних, поэтому снижается пластичность сплавов. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием - электротехнические стали содержат не более 5% Si.

Электротехнические стали, как отмечалось, представляют собой сплав железа с 0,5-5% кремния. Кремний, образуя с железом твердый раствор, обусловливает увеличение удельного сопротивления.

На магнитные свойства чистейшего железа кремний влияет отрицательно. Однако магнитные свойства технически чистого железа при легировании его кремнием улучшаются: возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшаются коэрцитивная сила и потери на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств.

Положительное действие кремния на магнитные свойства технически чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Действуя как раскислитель, он связывает часть растворенных в металле газов (прежде всего кислород), а также способствует росту зерен и уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции.

В технике применяют сплавы с содержанием кремния не свыше 5,0%. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4,0-5,0% Si материал выдерживает не более 1-2 перегибов на 90°.

Кроме того, кремний несколько снижает индукцию насыщения Bs, что является нежелательным. Кремний влияет также на плотность, теплоемкость и т. п.

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др.

Наиболее вредной примесью является углерод. Его влияние на -магнитные свойства определяется процентным содержанием, формой, в которой он находится (например, в виде цементита или в виде графита), и дисперсностью включений.

Влияние серы, кислорода и марганца на магнитные свойства электротехнической стали также отрицательно. Фосфор уменьшает потери как на гистерезис, так и на вихревые токи и, следовательно, может использоваться для легирования стали, но он повышает хрупкость.

Для улучшения свойств стали необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. "Однако существенно улучшить этими методами свойства электротехнических сталей, выпускаемых промышленностью, не удается.

Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге.

34. Изложите технологические свойства углеродистых сталей. Как влияет количество углерода в стали на технологические свойства стали?

Углеродистые стали -- это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, эти стали содержат до 0,8% марганца и до 0,4% кремния, остающихся после раскисления, а также вредные примеси -- до 0,055% серы и до 0,045% фосфора.

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов. Для котельных агрегатов, турбин, вспомогательного оборудования широко применяют низкруглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Они очень пластичны и поэтому хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Эти стали можно использовать также в виде стального фасонного литья. Кроме того, они обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами: достаточно прочны при температурах до 450° С, хорошо воспринимают динамические нагрузки.

Низкоуглеродистые стали удовлетворительно сопротивляются коррозии в условиях работы ряда деталей тепломеханического оборудования электростанций. Эти стали самые дешевые и наименее дефицитные.

Особенности производства стали и стальных полуфабрикатов оказывают существенное влияние на механические свойства и качество готовых изделий.

Большинство деталей котлов и турбин изготавливают из углеродистой стали, выплавленной в основных мартеновских печах.

Продувкой в бессемеровском конвертере получают углеродистую сталь с содержанием углерода до 0,5%. Эту сталь применяют для производства сварных труб неответственного назначения, болтов, профилей, тонкой жести.

При одинаковом содержании углерода бессемеровская сталь имеет более высокую прочность и твердость, чем мартеновская. Эта разница в свойствах объясняется тем, что в бессемеровской стали содержится повышенное количество растворенных азота и фосфора -- элементов, упрочняющих сталь, но делающих ее одновременно и более хрупкой. Применение кислородного дутья в конвертерах значительно ослабляет этот недостаток конвертерной стали.

Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по свойствам к мартеновской.

Кроме способа выплавки, на свойства стали и готовых изделий большое влияние оказывает способ раскисления, по которому стали делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали в свою очередь разделяют на строительные и машиностроительные.

В строительных сталях содержание углерода обычно не превышает 0,25%, т. е. эти стали относятся к категории малоуглеродистых. Они хорошо свариваются, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, но прочность их относительно невысока.

Машиностроительные малоуглеродистые стали часто применяют в качестве цементуемых, т. е. для деталей, подвергаемых поверхностному науглероживанию и закалке для повышения износостойкости, а также для изготовления крепежных деталей. Среднеуглеродистые машиностроительные стали (0,3--0,7% углерода) прочнее строительных и могут подвергаться закалке с высоким отпуском. В результате такой термической обработки улучшаются их механические свойства. Однако эти стали хуже свариваются и плохо поддаются деформации в холодном состоянии, v Инструментальные стали содержат от 0,7 до 1,4% углерода.

Углеродистые стали классифицируют также по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и постоянством механических свойств и химического состава. Чем меньше содержание вредных примесей, колебание механических свойств и химического состава, тем выше качество стали.

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углерод -- элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0,8% углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.

Изменение прочности стали в зависимости от содержания углерода легко объяснить характером изменения микроструктуры. Незакаленная углеродистая сталь при содержании углерода менее 0,8% состоит из кристаллитов свободного феррита и перлита, при 0,8% -- только из перлита и при содержании углерода более 0,8% -- из перлита и свободного цементита.

Феррит (твердый раствор углерода в а-железе) -- очень пластичен и вязок, но непрочен. Перлит, механическая смесь тонкодисперсных пластинок феррита и цементита, придает прочность. Цементит очень тверд, хрупок и статически прочен. При повышении в стали содержания углерода (в пределах до 0,8%) увеличивается содержание перлита и повышается прочность стали. Однако вместе с этим снижаются ее пластичность и ударная вязкость. При содержании 0,8% С (100% перлита) прочность стали достигает максимума. При дальнейшем увеличении содержания углерода избыточный свободный цементит образует оторочку вокруг перлитных зерен, что приводит к хрупкому разрушению и неко-торому снижению прочности стали.

Марганец вводят в любую сталь для раскисления (т. е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому его обнаружение металлографическими методами невозможно. Он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

Кремний, подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния. Весь кремний растворяется в феррите. Он сильно повышает прочность и твердость стали.

Сера -- вредная примесь. В процессе выплавки стали содержание серы снижают, но полностью ее удалить не удается. В мартеновской стали обыкновенного качества содержание серы допускается до 0,055%.

Присутствие серы в большом количестве приводит к образованию трещин при ковке, штамповке и прокатке в горячем состоянии, ото явление называется красноломкостью. В углеродистой стали сера взаимодействует с железом, в результате чего получается сернистое железо FeS. Сернистое железо образует с железом относительно легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зерен. При температурах ковки, штамповки, прокатки в горячем состоянии эвтектика FeS--Fe находится в жидком состоянии. В процессе горячей пластической деформации по границам зерен, где располагается жидкая эвтектика, образуются горячие трещины.

Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы будет устранено, так как она будет связана в тугоплавкий сульфид марганца MnS. Включения MnS располагаются в середине зерен, а не по их границам. При горячей обработке давлением включения MnS легко деформируются без обра-зования трещин.

Фосфор, подобно сере, является вредной примесью. Растворяясь в феррите, фосфор резко снижает его пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, или иначе -- вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1 %. Однако допустить содержание даже 0,05% Р для стали ответственного назначения уже рискованно, так как фосфор очень склонен к ликвации. Области слитка с повышенным содержанием фосфора становятся хладноломкими. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается не более 0,045% Р.

Сера и фосфор, вызывая ломкость стали и одновременно понижая механические свойства, улучшают обрабатываемость резанием: повышается чистота обрабатываемой поверхности, увеличивается время между переточками резцов, фрез и т. д. Поэтому для ряда неответственных деталей, подвергаемых механической обработке, применяют так называемые автоматные стали с повы-шенным содержанием серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%).

Кислород -- вредная примесь. Закись железа, подобно сере, вызывает красноломкость стали. Очень твердые окислы алюминия, кремния и марганца резко ухудшают обрабатываемость стали резанием, быстро затупляя режущий инструмент.

В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в нее могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.

60. Предложите и опишите технологию термической обработки вала диаметром 50 мм, длиной 200 мм, изготовленного из стали 45, для получения вязкой сердцевины

Нагрев изделий при термообработке производится в печах или в ваннах. В зависимости от среды, в которой нагревались детали, печи разделяются на печи с воздушной атмосферой и продуктами горения, печи с контролируемой или защитной атмосферами и печи-ванны (масляные, свинцовые, соляные) с внешним или внутренним (соляные электродные) обогревом.

Нагрев в печах-ваннах осуществляется быстрее и качественнее, при этом ванны должны хорошо раскисляться.

Время нагрева, выдержки и режим охлаждения зависят от типа нагревательной печи, состава и структуры стали, от формы и размеров изделия.

При отжиге скорость нагрева обычно невелика и составляет порядка 100 град/час, продолжительность выдержки достигает 1 часа на 1 тонну нагреваемого металла. Скорость охлаждения для углеродистых сталей ~ 150-200 град/час для углеродистых сталей и 30-100 град/час для легированных.

При закалке время нагрева в печах подсчитывается из расчета 50-80 секунд на 1 мм сечения, 12-14 с в соляной ванне и 6--8 с в свинцовой ванне. Продолжительность выдержки устанавливается равной 20% от времени нагрева.

В качестве охлаждающих сред при закалке чаще всего используют воду и минеральные масла. Охлаждение в воде применяют при закалке изделий из углеродистых и некоторых низкоуглеродистых сталей, причем в последнем случае только для изделий простой конфигурации. При закалке легированных сталей применяют масло, некоторые высоколегированные стали закаливают на воздухе.

83. Приведите современную классификацию и маркировку по ГОСТ латуней. Примеры применения этих сплавов в машиностроении

сплав сталь латунь алюминий

Основную массу медных сплавов составляют латуни (сплавы меди с цинком), в которых главным легирующим элементом является цинк. По содержанию цинка латуни делятся на однофазные (содержащие до 39% цинка) и двухфазные (содержащие более 39% цинка).

а) - однофазной; б) - двухфазной (темная - фаза, светлая - а-фаза)

Рис. Микроструктуры латуней

Медь с цинком образует твердый раствор с предельной концентрацией цинка 39 %. При большем содержании цинка образуется электронное соединение (химическое соединение).

в-фаза с кристаллической решеткой ОЦК. При 454 - 468 °С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядочение в-фазы (образуется в'-фаза ), что сопровождается значительным повышением ёе твердости и хрупкости.

Однофазные латуни имеют структуру - твердого раствора

(б-фаза). Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются и в холодном и в горячем состояниях.

Двухфазные латуни имеют структуру (б + в) - фаз. Они обладают более высокой твердостью и прочностью, но более низкой пластичностью. Двухфазные латуни хорошо деформируются только в горячем состоянии.

Когда латунь имеет структуру а-твердого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности (Рис. 2. б).

Появление в'-фазы сопровождается резким снижением пластичности, прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45 %, пока латунь находится в двухфазном состоянии. Переход латуни в однофазное состояние со структурой в'-фазы вызывает резкое снижение прочности. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 46 % цинка.

Рис. Диаграмма состояния сплавов "медь - цинк" (а) и график изменения механических свойств латуней (б).

Применяемые в промышленности латуни содержат от 5 до 46% цинка. Чем меньше в латуни цинка, тем выше её коррозионная стойкость, но и более высокая стоимость.

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем снижается теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20 - 50 % от характеристик меди.

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость.

Однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы).

Латуни маркируют буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставится число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы - символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь Л 68 содержит 68% Си, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59 % Си, 3 % А1, 2 % Ni (остальное Zn). В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % Zn, 3 % Мn и 1% Al.

Из однофазных латуней Л90 изготавливают трубки водяного и масляного радиаторов, Л80 - бачки радиаторов системы охлаждения. Из двухфазных латуней ЛЦ40С1 - направляющие втулки клапанов.

По технологическому признаку латуни делятся на деформируемые (листы, ленты, полосы и др.) и литейные (фасонные отливки).

Латунь является самым распространённым из медных сплавов и представляет собой сплав меди с цинком (от 5 до 45%).

Свойства латуни:

ь хорошая обрабатываемость давлением в горячем и холодном состояниях;

ь высокие механические свойства;

ь красивый цвет;

ь сравнительная дешевизна;

ь коррозионная стойкость латуней в атмосферных условиях средняя между стойкостью элементов, образующих сплав, т.е. цинка и меди;

ь электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди.

Сферы применения латуни:

Латуни обладают высокими технологическими свойствами и применяются в производстве различных мелких деталей, особенно там, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Латуни легко поддаются пластической деформации - основное их количество идет на изготовление катанных полуфабрикатов - листов, полос, лент, проволоки и разных профилей. Из латуни также изготавливают прутки, трубы, проволоку.

Основное применение латунь находит в машиностроении и приборостроении.

Используемая литература

а) основная:

Б.Н. Арзамасов Материаловедение - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 - 648 с.

Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение и термическая обработка металлов.- М.: Машиностроение, 1990.-360 с.

А.М.Дальский и др. Технология конструкционных материалов. - М.: Высшая школа, 1992.-448 с.

б) дополнительная:

Ю.А.Геллер, А. Г. Рахштадт Учебное пособие для вузов.- М.: Металлургия, 1989. 456 с.

С.А.Филинов Справочник термиста. - Л.:Машиностроение,1990 - 148 с.

А.П.Гуляев. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 344 с.

Размещено на Allbest.ru