Механические и литейные свойства сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Что такое ликвация? Виды ликвации, причины их возникновения и способы устранения

Ликвация представляет собой свойство сплавов распадаться при переходе из жидкого в твердое состояние на составные части или отдельные соединения, которые имеют различные точки плавления, это дефект отливки в виде местных скоплений химических элементов или соединений в теле отливки, возникших в результате избирательной кристаллизации при затвердевании. Относится к группе дефектов "несоответствие по структуре". Ликвация бывает двух видов: зональная - макроскопический уровень, в пределах кристалла и дендритная - микроскопический уровень, в пределах слитка.

Зональная ликвация подразделяется на ликвацию, связанную с направлением теплового потока, теплоотвода, связанную с действием силового поля, может быть гравитационной и возникающей при центрифугировании. Зональная ликвация может быть общей, местной (кайма по кромке затвердевания, V-образная, теневые полосы, пятнистая ликвация, ликвация, связанная с газовыми пузырями).

Кристаллиты твердого раствора, сформированные при разной температуре имеют разный химический состав. При медленной, так называемой равновесной кристаллизации, за счет диффузионных процессов состав кристаллов выравнивается. Однако реальные условия охлаждения сплавов в технологическом производстве изделий не обеспечивают протекание диффузионных процессов. Неравновесная кристаллизация создает внутри сплава так называемую дендритную (внутрикристаллитную) ликвацию. Чем больше температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее проявляется дендритная ликвация.

Ликвация усиливается при увеличении скорости охлаждения, уменьшении скорости диффузии, увеличении веса, кипении стали.

Ликвация уменьшается (в редких случаях дендритная ликвация устраняется) в результате гомогенизационного или диффузионного отжига, а также с добавлением легирующих добавок.

2. Дайте определение ударной вязкости (KCU). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки, это отношение работы А разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза. КС - это символ ударной вязкости, U - вид надреза с радиусом закругления. КС=А/F, Дж/м²

Методика измерения. Стандартный образец 1устанавливают на опорах стоек копра так, чтобы удар маятника 2 приходился против надреза. Маятник массой G при помощи специальной рукоятки поднимают на высоту Н в верхнее исходное положение I. При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и поднимается в положение II высоту h.

Рис. 1

Если запас потенциальной энергии маятника обозначить через GH, то работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, равна разности энергии маятника в его положениях I и II (до и после удара), т. е. К=GH-Gh=G(H-h)

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения для сплава, содержащего 3,6 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Рис. 2 А - аустенит, П - перлит, Л - ледебурит, Ф - феррит, Ц - цементит

Затвердевание жидкого сплава начинается при температуре, соответствующей линии ликвидуса AC. Линия солидуса EC соответствует температуре 1147⁰С - конец затвердевания. При температуре 1245⁰С, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит. При 1147 °С и содержании углерода 3,6 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и первичный цементит, образуя эвтектику - ледебурит, с образованием аустенита. При дальнейшем охлаждении сплава при температуре, соответствующий линии SK происходят превращения в твердом состоянии. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие полиморфного превращения г-Fe в б-Fe и в связи с понижением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры избыток углерода выделяется из твердого раствора в виде цементита. В сплаве системы при температуре, соответствующей линии SK (линия эвтектоидного превращения), происходит распад оставшегося аустенита с образованием перлита.

Тип структуры сплава - вторичный цементит и перлит.

Такой сплав называется белый чугун.

вязкость аустенит титан сталь

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45-50 НRC. Укажите, как этот режим называется, и какая структура получается в данном случае

Рис. 3 Сталь У8 (0,8 % С). Области нагрева стали при отжиге: 1 - диффузионном; 2 - рекристаллизационном; 3 - для снятия напряжений; 4 - полном; 5 - неполном; 6 - нормализационном

Изотермической обработкой, для стали У8, является изотермический отжиг. Структура после отжига - крупнопластинчатый перлит. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки S (S = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С. Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах 500⁰C. В процессе превращения происходит полиморфное превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры:

А>Ф + Fe3C = Перлит.

5. Как изменяются структура и свойства стали 40 и У12 в результате закалки от температуры 750 и 850⁰С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку для каждой стали

Рис. 4 Область нагрева стали при закалке Сталь 40 (0,4%С),

Рис. 5 Диаграмма изотермического превращения аустентита эвтектоидной стали У12 (1,2%С)

Цель закалки - повышение твердости и прочности стали. При этом снижается вязкость и пластичность.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С-образные кривые диаграммы изотермического превращения аустенита.

Наименьшая скорость закалки, при которой образуется мартенсит, называется критической скоростью закатки. Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали из углеродистой стали погружают в воду.

Аустенит устойчив только при температурах выше линии GSE. При охлаждении ниже этой линии он становится неустойчивым и начинает распадаться. При медленном охлаждении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fe-Fe3C. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях). При достижении критической точки Ас1 (линия эвтектоидного превращения PSK) содержание углерода в аустените достигает 0,8 %, и происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузионные процессы происходят в течение некоторого времени, причем скорость диффузии резко падает с понижением температуры.

При переохлаждении аустенита приблизительно ниже 240 °С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в б-железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажается, вытягиваясь и приобретая вместо кубической тетрагональную форму. Благодаря этому, мартенсит имеет высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.

Для стали 40 закалка от температуры 750 и 850⁰С малоэффективна по причине недостаточности температуры для образования аустенита (требуется нагрев до температуры Ас3+50, ~870-900⁰С)

Для стали У12 нагрев до температуры 750⁰С является наиболее эффективным, чем до 850⁰С по причине того, что для закалки заэвтектоидной стали наилучшей температурой является нагрев на 30-50 °С выше Ас1. Такую закалку называют неполной. В этом случае в стали сохраняется цементит и при нагреве, и при охлаждении, а это способствует повышению твердости, так как твердость цементита больше, чем твердость мартенсита. Нагрев заэвтектоидной стали до температуры выше точек Асm (полная закалка) является излишним, так как твердость при этом меньше, чем при закалке выше Ас1. Кроме того, при охлаждении после нагрева до более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напряжения.

6. Цементация стали. Сущность процесса, структура, свойства и области применения

Цементация стали это поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. После закалки цементованной стали отчетливо различаются твердости поверхности и сердцевины.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0,2%C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900-950°С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) - при 850-900°С. После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Область применения изготовление инструмента, зубчатых колес, стальных отливок, деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок.

7. Титан и его сплавы. Структура, термическая обработка, свойства и области применения

Главное преимущество титана и его сплавов состоит в сочетании высоких механических свойств с коррозионной стойкостью в агрессивных средах (в азотной, соляной и фтористой кислотах) и относительно низкой плотностью. Прочность титана у_в - 300-500 МПа, относительное удлинение д = 20-30 %. Чем больше в титане примесей, тем он прочнее и менее пластичен. Технически чистый титан марок ВТ1-00 содержит не более 0,4 % примесей, ВТ1-0 не более 0,55 % примесей. Высокая коррозионная стойкость титана достигается за счет образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Главные недостатки титана - высокая стоимость, низкая износостойкость, склонность к взаимодействию с газами при температурах выше 500-600 °С. Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается (в среде аргона), но обработка его резанием затруднена.

По структуре после отжига титановые сплавы делятся на б-сплавы, псевдо-б-сплавы, (б+в)-сплавы, псевдо-в-сплавы и в-сплавы. Псевдо-б-сплавы содержат очень небольшое количество (до 5 %) в-фазы, а псевдо-в-сплавы очень небольшое количество б-фазы. Двухфазные (б+в)-сплавы и псевдо-в-сплавы способны к упрочению путем закалки и искусственного старения. После закалки, в зависимости от содержания в-стабилизаторов, может образоваться мартенсит (пересыщенная б-фаза) и неустойчивая в-фаза. Мартенсит в титановых сплавах не обладает повышенной прочностью по сравнению с равновесной б-фазой.

Упрочение происходит при искусственном старении за счет выделения мелкодисперсных частиц б-фазы при распаде мартенсита в-фазы. В зависимости от химического состава закалка производится от 700-900 °С, а старение - при 420-600 °С.

По технологическому признаку титановые сплавы классифицируются на деформируемые, литейные и порошковые. По свойствам титановые сплавы делятся на высокопластичные, сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие.

Деформируемые сплавы. К б-сплавам относятся технический титан ВТ1-00 и ВТ1-0, сплавы марок ВТ5 (5 % А1) и ВТ5-1 (5% А1 и 2,5 % Sn) и др. Эти сплавы не упрочняются термической обработкой и применяются в отожженном состоянии. Они характеризуются хорошей свариваемостью, высокими механическими свойствами при криогенных температурах.

Рис. 6

Литейные сплавы титана по составу аналогичны деформируемым. В конце марки они имеют букву Л. Пo структуре они относятся к б-сплавам (ВТ1Л, ВТ5Л) или (б+в)-сплавам с небольшим количеством в-фазы (ВТЗ-1Л, ВТ14Л). Литейные титановые сплавы имеют меньшую прочность и пластичность, чем деформируемые. Упрочняющая термическая обработка для них не применяется, так как при этом резко снижается пластичность.

Область применения титановых сплавов очень велика: в авиации (обшивка самолетов, диски, лопатки компрессоров и т.д.); в ракетной технике (корпуса двигателей, баллоны для сжатых и сжиженных газов); в химическом машиностроении (оборудование, находящееся в среде хлора и его растворов, детали, работающие в азотной кислоте, теплообменники); в судостроении (обшивка морских судов, поэтому эти суда не требуют окраски); в энергомашиностроении (диски, лопатки стационарных турбин); в криогенной технике. В автомобильной отрасли применяемые титановые сплавы позволяют уменьшить массу автомобильных и дизельных двигателей, увеличить их частоту вращения и мощность.

Размещено на Allbest.ru