Конструкционные материалы (раздел 2)

Легированные конструкционные стали и сплавы.

Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки в определенных концентрациях для придания стали специальных физико-механических свойств.

Основными легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт, титан, ванадий, цирконий, ниобий и др.

По общему содержанию легирующих элементов легированные стали подразделяются на низколегированные (до 2, 5% легирующих элементов); среднелегированные (2, 5-10%); высоколегированные (более 10%).

Хром и кремний повышают твердость, прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость. При содержании хрома более … сталь становится …

Никель и марганец повышают прочность, пластичность, электрическое сопротивление.

Вольфрам и молибден уменьшают величину зерна в сталях, повышают твердость и прочность, улучшают режущие свойства и коррозионные свойства.

Маркировка легированных сталей: буквы и цифры, которые указывают на химический состав стали.

Первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Затем буква (легирующий элемент), цифра указывает на среднее …

При содержании элемента менее или равного единице, цифра не ставится.

Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: К( кобальт), В (вольфрам), Ю(Алюминий), Х (хром), д(медь), Н(никель), М(молибден), П(фосфор), Ц (цирфоний), Ч(редкоземельные элементы).

12ХН3А (0, 12% С, 1% Cr, 3% Ni (высокое качество)).

Легированные стали классифицируют на 3 группы:

Конструкционные

а) цементуемые (подвергаемые насыщению углеродом)

б) улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску)

2. Инструментальные

3. Стали и сплавы с особыми свойствами.

а) нержавеющие

б) жаропрочные

в) жаростойкие и т. д.

Цементуемые легированные сплавы.

К этому типу сталей относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием С от 0, 1 до 0, 3%.

(20Х, 15Х, 15ХФ, 30ХГТ)

После цементации последующей закалки с низким отпуском достигаются высокие поверхностная твердость и прочность при вязкой сердцевине.

Изготавливают стали, подвергнутые износу и ударным нагрузкам (кулачки, шестерни, поршневые кольца).

Улучшаемые легированные стали.

Эти стали содержат от 0, 3 до 0, 5 % С и общую сумму легирующих элементов до 5 %.

Эти стали подвергают улучшению путем термообработки, закалке с температурой … и высокому отпуску.

Обладают высокой прочностью, пластичностью, хорошо работают в условиях циклических и ударных нагрузок до температур 450˚ С.

Изготавливают ответственные детали машин.

Марки этих сталей: 40Х, 40ХН, 38Х, Н3, МА

Нержавеющие.

Обладают высокой стойкостью против коррозии (влажная атмосфера, морская вода, растворы солей и щелочей).

Для повышения антикоррозийных свойств в сталь добавляют хром 12-30%, никель 3-10%.

Режимы термической обработки.

Закалка 1000 – 1100˚ С в масле.

Отпуск 700 – 750˚ С.

12Х13 используется для изготовления деталей типа клапанов, предметов домашнего обихода.

Для пищевой и химической промышленности применяют сталь 12Х13.

Легированные инструментальные стали.

Получают на базе углеродистых инструментальных сталей путем легирования хромом, вольфрамом, марганцем, кремнием и т.д.

После закалки в масле и низкого отпуска имеют высокую твердость. Они меньше склонны к деформациям и образованию трещин.

Примеры марки: 9ХС, ХВГ, ХВ5

Изготавливают различные режущие инструменты сложной конфигурации ( в десятых долях процента).

Быстрорежущие стали.

Для изготовления режущего инструмента.

Обладают большой твердостью и работают при больших скоростях резания.

Стали карбидного класса, так как в их состав входят карбидообразные элементы: хром, ванадий, молибден.

Высокими режущими свойствами обладают быстрорежущие стали марок: Р6, Р18.

Цифра – среднее процентное содержание вольфрама.

Жаростойкие и жаропрочные стали.

Скорость металла сопротивляться окислению при высоких температурах называется жаростойкостью (окалиностойкостью).

Окалиностойкость зависит от состава стали и мало от ее структуры.

Для повышения прочности в стали добавляют хром, алюминий.

Эти металлы обладают большим сродством к углероду и образуют на поверхности стали плотные оксидные пленки: SiO₂, которые предохраняют металл от дальнейшего окисления.

Примеры: 12Х18Н9Т

Нержавеющая сталь обладает высокими технологическими свойствами (хорошо сваривается, куется, поддается ОВД).

2Х13

Многие стали работают при высокой температуре и испытывают при этом значительные нагрузки.

Такие стали изготавливают из жаропрочных сплавов.

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.

Требования, которые предъявляются к жаропрочным сплавам разнообразны.

В данном случае решающее значение имеют не только данные свойства, но и …

…

Поэтому для них обычно рассматривают не только влияние температур, но и продолжительность нагружения.

Для оценки механических свойств жаропрочных сплавов разработаны специальные виды испытаний, которые учитывают как фактор времени, так и температуры.

При таких испытаниях определяют предел ползучести и предел длительной прочности.

Предел ползучести – напряжение, которое вызывает определенную скорость деформации при данной темературе.

Предел длительной прочности – напряжение, которое вызывает разрушение образца при данной температуре через определенный промежуток времени.

При ползучести деформации идут в пограничных зонах, наблюдается межкратное разрушение. Поэтому крупнозернистый металл в условиях высокой температуры является более жаропрочным, чем мелкозернистый.

Клапанные стали.

…

В таких условиях хорошо зарекомендовали себя сильхромы.

40Х

Важнейшими деталями реактивных двигателей являются лопатки.

Их температура эксплуатации 700-800˚ С

Высокие нагрузки.

Для лопаток газовых турбин применяются стали с большим содержанием …, которое называется нимониками.

Например ХН70ВМТЮ.

Цветные металлы и их сплавы

Алюминий и его сплавы

Алюминий (Al) - металл серебристого цвета, плотность ρ =2, 7 г/см³, t_пл=660˚ С

Имеет ГЦК решетку без аллотропических превращений, обладает высокой электро- и теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью за счет образования на его поверхности плотного окисла Al₂O₃.

Стоек к концентрированной HNO₃ (азотная кислота)

Ввиду низкой прочности применяют в ненагруженных деталях (фольга, трубопроводы, теплообменники, провода и т.д.)

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в промышленности благодаря малой плотности при достаточно высоких характеристиках прочности, высокой стойкости против коррозии как в атмосферных средах, так и в других средах, хорошими технологическими свойствам (обрабатываемость, свариваемость).

В качестве основных легирующих элементов используется медь, магний, марганец, кремний, цинк.

По технологии изготовления изделий алюминиевые сплавы делят на 2 группы: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся системы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг)

Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются, имеют высокую коррозионную стойкость.

Сплавы групп АМц и АМг не упрочняются термической обработкой.

Их прочностные свойства повышают за счет холодного пластического деформирования или наклепа. Из таких сплавов изготавливают емкости, трубопроводы.

Из термически упрочняемых сплавов наибольшее применение получили дуралюмины – это высокопрочные алюминий – медные сплавы с содержанием меди 3 – 5 % с добавками Mg, Si… (по 1 %).

Упрочняющая термическая обработка (закалка) основана на изменении растворимости меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0, 5%, а при температуре 550 ˚ С максимальная растворимость составляет 5, 5%.

Если сплав с максимальным содержанием меди нагреть и быстро охладить, то получим пересыщенный твердый раствор меди в алюминии.

Этот раствор является неустойчивым и распадается с выделением меди. Процесс распада пересыщенного раствора, который образуется в процессе закалки, называется старением.

В результате старения в сплаве образуется зоны, богатые медью, называются зонами Геньо – Престона.

Выделение меди искажают кристаллическую решетку, в нем создаются напряжения, в результате твердость и прочность возрастает, а пластичность понижается.

Если выдержка закаленных сплавов происходит при нормальной температуре, то она называется естественной.

Нагрев закаленных сплавов до 100 – 300 ˚ С и выдержка при этой температуре некоторое время (несколько часов), называется искусственным старением.

Естественное длится 4-5 суток. Существенным отличием естественного от искусственного проявляется в том, что старение не заканчивается на образовании зон Геньо – Престона., а происходит их образование во вторичную фазу CuAl₂, которая называется θ фаза, которая и упрочняет сплав.

Наибольшее применение в технике получил дуралюмин Д16.

Высокопрочные сплавы – сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu, например В95.

Прочностные свойства приобретаются после закалки 470˚ С и искусственного старения в течении 16 ч.

Сплавы применяют для высоко нагруженных деталей.

Литейные сплавы.

Наибольшее распространение получили силумины (Si = 13%).

Их используют для деталей турбо…, компрессоров.

Медь и ее сплавы.

Медь – (Cu) - металл красного цвета ρ =8, 9 г/см³ t_пл=1083˚ С

Имеет ГЦК решетку без аллотропических превращений.

Медь обладает высокой теплопроводностью, пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью, текучестью, хорошо обрабатывается давлением, хорошо паяется.

М0 – самая чистая медь (0, 05% примесей), М1 – 0, 1 % примесей, М2 – 0, 2% примесей и т.д.

Медь широко используется для изготовления проводников тока, кабелей шин в электротехнике и т.д.

Недостаток – малая прочность, поэтому медь легируют.

Медные сплавы.

Латуни – сплавы меди с цинком.

Подразделяются на литейные …

Бывают однокомпонентные и многокомпонентные.

Л70 (70% меди 30% цинка)

Если латуни сложного состава, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов, цифры.

Обозначение элементов: С (свинец), Ж (железо), А (алюминий), Мц (марганец), Н (никель), К (кремний)

ЛАЖМЦ 66-6-3-2

Латунь – 66%

Алюминий – 6%

Железо – 3%

Марганец – 2%

Цинк – 23%.

Латуни, содержащие …, обладают высокой пластичностью и их с давних пор применяют для изготовления гильз. Латуни с содержанием цинка более 40% в технике применяют ввиду малой прочности и пластичности.

Для повышения прочности латуни легируют кремнием, марганцем, железом (от 1 до 3 %), добавляют 1-2% свинца.

Медный сплав с содержанием 20% цинка и 15% …, называют найзинбером.

Медный сплав (25-35% никеля) – никелин.

Обладает высоким электросопротивлением.

Применяется в производстве реостатов. Сплав меди с 30% никеля и по 1% … и Мц называется мельхиором.

Обладает хорошей пластичностью, коррозийной стойкостью.

Изготавливают детали, работающие в морской воде.

Изготавливают детали, работающие на трение, контакты электрооборудования.

Алюминиевые бронзы – сплавы меди (9-14% алюминия) и добавками железа, марганца …

Обладают высокими механическими свойствами, хорошими литейными свойствами, жаропрочностью и жарстойкостью.

Бронзы – сплавы меди со всеми другими элементами, кроме цинка, однако цинк может быть легирующей добавкой.

Названия по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, берилистые и т.д.

Бр – затем буквы и цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов.

Ф(фосфор)

Ц(цинк)

Х(хром)

Б(бериллий)

Ц(цирконий)

К(кремний)

БрОЦС 6-63

(Sn – 6%, Zn – 6%, Pb – 3%, Cu – 8, 5%)

Оловянистые бронзы – сплавы меди с содержанием меди до 20 %.

Одной из самых распространенных является бронза …

Изготавливают детали, работающие на трение (шестерни, колеса, втулки кранов и т.д.)

бериллиевые бронзы (2, 5% бериллия).

Устойчиво работают до 350˚ С, обладают хорошей электро- и теплопроводностью и способностью не искрить при ударе.

Из этих бронз изготавливают особо ответственные детали, которые работают при больших скоростях, высоких давлениях, температурах. Однако они дорогостоящи.

Хромистые Бр (…% хрома)

Их легируют серебром (0, 2%). Хорошо сплавляются сос талью, что позволяет использовать их для получения биметаллов.

Такие биметаллы применяют в … устройствах и изготавливают огневые стенки камер сгорания.

Титан и его сплавы.

Титан (Ti) – металл серебристо-белого цвета.

ρ =4, … г/см³ t_пл=1672˚ С

Сочетание легкости и тугоплавкости делают титан очень полезным материалом.

При обычных температурах … титан является коррозионной стойкостью.

Однако нагрев его до температуры 500˚ С делают его активынм металлом, что является неплохой предпосылкой для легирования металла.

Особо опасен для титана водород, который охрупчивает его.

Самое основное свойства: полиморфизм.

ГПУ ОЦК

Легирующие элементы на темп. полиморф. превр. влияют следующим образом:

1 группа. Стабилизируют α форму Ti повышает температуру α -β перехода. Из металлов алюминий, гандий. Из неметаллов – кислород, азот.

2 группа β стабилизация.

β – элементы понижают α -β переходы. Хром, ванадий, молибден, медь …

3 группа Элементы, слабовлияющие на температуру полиморфного превращения.

Их называют нейтральными упрочнителями. Свинец, цирконий, германий, торий.

Титановые сплавы подразделяются на 3 группы:

1 группа α – сплавы

2 группа α +β сплавы

3 группа β сплавы

Сплавы 1-ой группы – ВТ4, ВТ5, ВТ 18 и другие. (высокопрочный титановый сплав).

…

Сплавы 2-ой группы – ВТ8, ВТ6, ВТ14 содержат Al, Va, Mb

Они характеризуются более высокой прочностью. Но более хрупкие, чем α - сплавы

Сплавы 3-ей группы ВТ22, ВТ15 наиболее пластичны и достаточно прочные. Титановые сплавы применяют в технической промышленности, судостроении, авиационной техники.

…

Свойства титановых сплавов.

Структурно-однофазные титановые сплавы

…

Титан легированный α и β стабилизаторами является двухфазным сплавом …

причем α и β фазы представляют светлые и темные пластины, которые хар-ся между собой.

Механические свойства титановых сплавов.

Наиболее прочными являются β и α +β сплавы.

Титан сильно упрочняют такие элементы какалюминий, кобальт, молибден, марганец, хром.

Количество легирующих элементов, которые вводят в титан образует …, которое обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Al – 10% Va – 5%

Сумма легирующих элементов не должна превышать 25-30%.

Наиболее показательна для механических свойств титановых сплавов такая характеристика, как удельная прочность.

р – плотность.

При одинаковых σ _В удельная прочность титановых сплавов в 2 раза выше, чем у …

Конструкции в 2 раза легче, чем стальные.

…

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒