Бериллиевые сплавы

  Б. с. системы Be—Ag, содержащие 1,9—3,7% Ag, обладают повышенной пластичностью; содержащие 20—40% Ag — повышенным сопротивлением ударным нагрузкам. Добавки к Be 2,7—2,9% Sn существенно улучшают его механические свойства в выдавленном и прокатанном состоянии при комнатной температуре. При использовании в качестве пластичной матрицы Cu и Ni в количестве 3% в процессе получения заготовок наблюдается образование хрупких бериллидов (например, Be₂Cu и Ni₅Be₂₁). Добавление к сплавам Be — Cu 0,25% Р, замедляющего диффузию Cu и Be, предотвращает образование бериллида и повышает пластичность. Промышленными являются сплавы системы Be—Al, содержащие от 24 до 43% Al, называемые «локэллой»

 Механические свойства (главным образом прочностные) этих Б. с. повышаются введением тонкодисперсной упрочняющей фазы. Наличие дисперсной фазы приводит к возникновению напряжений в бериллиевой матрице (в случае выделения из твёрдого раствора) или препятствует распространению скольжения (в случае образования интерметаллических соединений). Оба процесса повышают прочностные характеристики.

Повышение прочностных свойств Б. с., упрочнённых дисперсной фазой, сопровождается уменьшением пластичности, что значительно усложняет технологию изготовления изделии. Изделия и полуфабрикаты из Б. с. изготовляют в основном методами порошковой металлургии, реже литьём. Высокопрочные дисперсионно-упрочнённые Б. с. получают обработкой горячепрессованных заготовок давлением в стальных оболочках при температурах 1010—1175°С. Изделия из Б. с.: прутки, трубы, конусы, листы, профили и др. Важным достижением в области создания материалов на бериллиевой основе, способных работать длительное время при 1100—1550°С и короткое время при 1700°С, является разработка интерметаллических соединений Be с другими металлами. Основное направление в применении Б. с. — конструкционные материалы для летательных аппаратов.

47.

Алюминий – металл серебристо- белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом a = 0,4041 нм.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозийной стойкостью. Примеси ухудшают все эти свойства алюминия.

Постоянные примеси алюминия - Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на 3 класса: особой частоты А999 ( < 0,001 % примесей), высокой частоты А995, А99, А97, А95 (0Ю005 – 0,05 % примесей) и технической частоты А85, А8 и др. (0,15 – 1% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АД0 и АД1. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия.

Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкции, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так, из него изготовляют рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности его используют для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электрическая проводимость алюминия способствует его широкому применению для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и т.п.

Следует также отметить высокую отражательную способность алюминия, в связи с чем его используют в прожекторах, рефлекторах, экранах телевизоров. Алюминий имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов, он хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Алюминий имеет большую усадку при затвердевании (6%). Высокие теплота плавления и теплоемкость способствуют медленному остыванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алюминия и его сплавов путем модифицирования, рафинирования и других технологических операций.

48.

к сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся спла­вы АМц и АМг (табл.13.3). Сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы типа АМц относятся к системе AI-Mn (рис. 13.4, а). Струк­тура сплавов типа АМц состоит из а-твердого раствора и вторичных вы­делений фазы MnA16, переходящих в твердый раствор при повышениитемпературы. В присутствии железа вместо MnA16 образуется сложнаятройная фаза (Mn, Fe)A16, практически нерастворимая в алюминии, по­этому сплавы типа АМц не упрочняются термической обработкой. Вотожженном состоянии они обладают высокой пластичностью и низкойпрочностью. Пластическая деформация упрочняет эти сплавы почти в 2 раза.

Сплавы типа АМг относятся к системе AI-Mg (рис. 13.4,6). Маг­ний образует с алюминием а-твердый раствор, концентрация которогопри повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4 % в результатерастворения фазы Мg2Аlз. Однако сплавы, содержащие до 7 % Mg, дают

очень незначительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы типа АМг, как и АМц, упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном (АмгН - 80 % наклепа) и по­лунагартованном (АмгП - 40 % наклепа) состояниях.

Однако применение наклепа ограничено из-за резкого снижения пла­стичности сплавов, поэтому их используют в отожженном (мягком ­

АМгМ) состоянии. Сплавы т.ша АМц и АМг отжигают при 350 - 420 ОС. При повышении содержания магния временное сопротивление возрастает от 110 МПа (AMrl) до 340 МПа (АМг6) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 20 %. Легирование магнием, кроме то­го, вызывает склонность к окислению во время плавки, разливки и кри­сталлизации, что приводит к появлению в структуре оксидных пленок иснижению механических свойств. Поэтому сплавы с высоким содержани­ем магния (АМг6, AMrlO) для устранения склонности к окислению леги­руют бериллием. Укрупнение зерна, вызванное бериллием, устраняется

добавкой титана или циркония.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глу­бокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионнаястойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а такжедля заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъем­ных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др.

49

ДУРАЛЮМИН сплав Al (основа) с Cu (1,4-1,3%), Mg (0,4-2,8%) и Mn (0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Конструкционный материал для авиационного и транспортного машиностроенияния. и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические. операции, как клепка, правка и др. Для проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подвергнуть обра- " ботке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава" (1 - 2 мин) при 230 - 300 00. Во время нагрева рассасываются зоны Г - П и

восстанавливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки. Однако применение обработки «на возврат» ограничено тем, что у тонкостенных изделий снижается коррозионная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки не успевает восстанавли­ваться пластичность по всему сечению. Увеличение выдержки приводит

к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает. снижение пластичности.

Дуралюмины широко применяют в авиации.

50.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами Ак. Они обла­дают хорошей пластичностью и стойки к обр,азованию трещин при горя­чей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки кдуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтомув их структуре вместо фазы В присутствуют кремнийсодержащие фазы- четверная фаза (Al, Cu, Mg, Si) и ,в-фаза (Mg2Si). Ковку и штампов­ку сплавов ведут при 450 - 4750С. Их применяют после закалки и ис­кусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (АК6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей проч­ностью (ив = 360 МПа). Их используют для средненагруженных деталейсложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, кре­пежные детали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хужеобрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоко­нагруженных деталей несложной . формы: подмоторные рамы, пояса лон­жеронов и др.

Высокопрочные алюмининиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600 - 700 МПа) и близ­ким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы при­надлежат к системе AI-Zn-Mg-Cu и содержат добавки марганца и хромаили циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого рас­твора, ускоряют его распад, усиливают эффект старения сплава, вызыва­ют пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют М-, В- и Т-фазы, обла­дающие переменной растворимостью в алюминии: соответственно MgZn2,

резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же прич;ине, что и сплавы системы Al - Си, и характеризуются невысокими литейны­ми свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышеннойчувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплciвахнерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Сплавы системы Al - Mg применяют для изготовления деталей, рабо­тающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетострое­нии. Из них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.

51.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Аl – Si(10-12%) (силу­мины). . Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкаясклонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность си­луминов объясняются наличием большого количества эвтектики в струк­туре этих сплавов. В двойных сплавах Аl - Si эвтектика состоит из твер­дого раствора и кристаллов практически чистого кремния, в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики

Плотность большинства силуминов 2650 кг /м3, т .е. меньше плотно­сти чистого алюминия (2700 кг/м3). Они хорошо свариваются.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и т.д.), а также терми­ческой обработки (см. табл. 13.4). В двойных силуминах с увеличениемсодержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность иповышается прочностъ. Появление в структуре сплавов крупных кристал­лов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности(рис. 1з.7). Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминииот 0,05 % при 200 ос дО 1,65 % при эвтек~ической температуре, двойныесплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высо­кой скоростью распада твердого раствора, который частично происходитуже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильныхвыделений кремния. Единственным способом повышения механическихсвойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифици­рования.

Силумины обычно МОДИфИЦИРУIPт натрием, который в виде хлори­стых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2 - 3 % отмассы сплава.

52.

Титан - металл серого цвета, имеющий две полиморфные модифика­ции. Низкотемпературная (до 882 ОС) модификация Tia характеризуетсяГП решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = О, 472нм, высокотемператур­ная Ti,a (при 900 ОС) имеет ОЦК решетку с периодом а = 0,332 нм.

Полиморфное преврашение (882 ОС) при медленном охлаждении про­исходит по нормальному механизму с образованием полиэдрическойструктуры (рис. 14.1, а), а при быс'I1рОМ охлаждении - по мартенситномумеханизму с образованием игольчатой структуры (рис. 14.1, 6).

Чистейший иодидный титан получают методом термической диссо­циации из четырехиодидного титана, а также методом зонной плавки.

Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хо­рошие механич~ские свойства, малая плотность, высокие удельная проч­ность, хорошие теХНОЛОГИЧ,еские свойства и отличная коррозионная стой­кчсть.Физические свойства чистого титана приведены в § 1.2.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетани­

ем прочности и пластичности

Высокая пластичность иодидного титана по сравнению с другими ме­таллами, имеющими Гексагональную кристаллическую решетку (Zn, Cd, Mg), объясняется большим количеством систем скольжения и двойнико­вания благодаря малому. соотношению с/а = 1,587.

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей, особенно водорода, кислорода, азота и углерода, кото­рые образуют с ним твердые растворы внедрения и промежуточные фа­зьi: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое количество кисло­рода, азота и углерода повышает твердость, временное сопротивление ипредел текучести, однако при этом значительно уменьшается пластич­ность (рис. 14.2), снижается коррозионная стойкость, ухудшаются сва­риваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому содержаниеэтих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными доля­ми процента. .

Водород повышает стабильность ,в-фаЗЫ"снижает критическую ско­рость закалки, а также температуры начала и конца мартенситного пр е­вращения, увеличивает прокаливаемость и позволяет при малых скоро­стях. закалки получить большое количество стабилизированных водоро­дом метастабильных фаз.

Титан хладостоек.

При повышении температуры титан активно поглощает газы: начи­ная с 50 -70 ос - водород, свыше 400 - 500 ос - кислород и с 600 -700 ос- азот, оксид идиоксид углерода.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением. Из него изго­товляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, тру­бы, проволоку , поковки. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и то­чечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочностии пластичности. Прочность шва СОС'I1авляет 90 % прочности основногометалла. .

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего ,:rOT быстро изнашивается. Для обработки титана требу­ются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малыескорости резания при большой подаче и глубине резания., интенсивноеохлаждение. К недостаткам титана относятся также низкие жаростой­

кость и антифрикционные свойства. .

53.

К сплавам с а-структурой относятся сплавы титана с алюминием (например, ВТ5), а также сплавы, дополнительно легированные оловом или цирконием (например, ВТ5-1). Они характеризуются средней проч­ностью при 20 ОС, высокими механическими свойствами при криогенныхи повышенных (450 - 500 ОС) температурах. Сплавы имеют высокую тер­мическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Прочность сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

Недостатки сплавов с а-структурой - неупрочняемость термической обработкой и низкая технологическая пластичность. Сплавы с оловом бо­лее технологичны, но это самые дорогие из а-сплавов. В горячем состо­янии а-сплавы куют, прокатывают и штампуют. Их поставляют в видепрутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки. Предназначеныони для изготовления деталей, работаюших в широком диапазоне темпе­ратур: от криогенных дО 4500С (ВТ5) н 5000С (BT5-1).

54.

Псевдо-а-сплавы имеют преимущественно а-структуру и не большое количество ,В-фазы (1 - 5 %) вследствие дополнительного легирования ,В­стабилизаторами: Mn, У, Nb, Мо и др. Сохраняя достоинства а-сплавов, они, благодаря наличию ,В-фазы, обладают высокой технологической пла­стичностью. Сплавы с низким содержанием алюминия (2 - 3 %) обра­батываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлениисложных деталей их нагревают до 500 - 700 ос (ОТ4, OT4-1). Сплавы сбольшим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подо­грева до 600-800 ОС. На прочность этих сплавов помимо алюминия благо­приятно влияют цирконий и кремний. Цирконий, неограниченно раство­ряясь в а-фазе, повышает температуру рекристаллизации. Кроме того, он способствует увеличению растворимости ,В-стабилизаторов в а-фазе, что вызывает рост прочности как при 20 ОС, так и при высоких темпе­

ратурах. В тех же условиях кремний повышает прочность в результатеобразования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в а-фазе.

Поэтому псевдо-а-сплавы с содержанием алюминия 7 ~ 8 %, легирован­ные Zr, Si, Мо, Nb, V (ВТ20), используют в изделиях, работ"ающих принаиболее высоких (среди титановых сплавов) температурах.

Недостаток этих сплавов - склон­ность к водородной хрупкости. Водо­род мало растворим в а-фазе и при­сутствует в структуре в виде гидри­дов, которые снижают пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов (рис. 14.10). Лопу­стимое содержание водорода в псевдо­а-сплавах колеблется в пределах 0,005 - 0,02 %.

55.

Лвухфазные (а + ,в)-сплавы обла­дают лучшим сочетанием технологи­ческих и механических свойств. Онилегированы в основном алюминием и,в-стабилизаторами. Необходимость

легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняета-фазу при 20 ос и повышенных температурах, тогда как ,в-стабилизато­ры в ней мало растворимы и потому не оказывают существенного влия­ния на ее свойства. Особо ценным для этих сплавов является способностьалюминия увеличивать термическую стабильность ,в-фазы, поскольку эв­тектоидообразующие ,в-стабилизаторы, н'аиболее эффективно упрочняю­щие сплавы, вызывают склонность этой фазы к эвтектоидному распаду. К роме того, алюминий снижает плотность (а + ,8)-сплавов, что позволяет удерживать ее приблизительно на уровне титана, несмотря на присут­ствие элементов с большой плотностью У, Сг, Мо, Fe и др.

у стойчивость ,в-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные ,в-стабилизаторы: Мо, У, Nb.

Сплавы а + ,в упрочняются с помощью термической обработки ­

закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они име­ют хорошую пластичность, а 'после старения - высокую прочность при20 - 25 ос и повышенных температурах. При этом, чем больше ,в-фазысодержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состояниии сильнее упрочняется при термической обработке. По структуре, полу­

чаемой в (а + ,в)-сплавах после закалки, их подразделяют на два класса:

Сплавы а + {З меньше склонны к водородной хрупкости, чем р и псевдо-а, поскольку водород обладает большей растворимостью в {З­фазе; они легче куются, штампуются и прокатываются, чем сплавы с а­структурой. Их поставляют в виде поковок, штамповых заготовок, прут­ков, листов, ленты.

56.

Псевдо-{З-сплавы (ВТ15) высоколегированные в основном {З-стабили­заторами сплавы. Суммарное количество легирующих элементов, какправило,'превышает 20 %. Наиболее часто для легирования используютМо, У, Cr, реже - Fe, Zr, Sn.. Алюминий присутствует почти во всехсплавах, но в небольших количествах ('" 3 %). в равновесном состояниисплавы имеют структуру преимущественно {З:фазы с небольшим количе­ством а-фазы. После закалки их структура-- метастабильная {З' -фаза. В] этом состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью (8 = 12. ..40 %; Ф ~ 30.. .60 %), легко обрабатываются давлением, имеют сравнитель­

но невысокую прочность (О'в ~ 650.. .1000 МПа). В зависимости от хи­

, ,

мического состава временное сопротивление После старения составляет

1300 - 1800 МПа. У некоторых сплавов О'в при старении увеличивается более чем в 1,5 раза. Плотность этих сплавов находится в интервале 4,9

- 5,1 т/мЗ. Сплавы отличаются высокой удельной прочностью, облада- ,

ют низкой склонностью к водородной хрупкости, удовлетворительно об. рабатываются резанием; их недостатки -чувствительность к nримесям кислорода и углерода, которые вызывают снижение пластичности и вяз­кости, пониженная пластичность сварных швов и низкая термическая ста­бильиость.

Наибольшее распространение в промышленности получил сплав

BT15. Его выпускают в виде листов, полос, прутков', поковок. Этот сплав

. реI<:омендуется для длительной работы при температуре до 350 ОС.

57.

Титановые сплавы имеют хорошие литейные свойства. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую жид­котекучесть и хорошую плотность отливки. Они обладают малой склон­ностью к образованию горячих трепrин и неБОЛЫllОЙ линейной усадкой(1 %); их объемная усадка составляет около 3 %.

к недостаткам литейных титановых сплавов относятся большая склонность к пог лощению газов и высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому их плавку и разливку ведут в ва­кууме или в среде нейтральных газов. Для получения крупных фасонныхотливок (до 300 - 500 кг) используют чугунные и стальные фОрМЫj мелкиедетали отливают в оболочковые формы, изготовленные из специальныхсмесей. Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по хими­ческому составу некоторым дефdрмируемым (ВТ5Л, ВТ3-1Л, ВТ14Л), атакже специальные литейные сплавы.

Литейные титановые сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем деформируемые. Упрочняющая термическая обработка резко снижает пластичность литейных сплавов и поэтому не применяется.

Перспективным способом повышения механических свойств отливок, особенно для деталей небольших размеров и сложной формы, является

термоводородная обработка. Хорошие результаты дает совмещение тер­моводородной обработки с горячим изо статическим прессованием. Такаякомбинированная обработка приводит к значительному снижению (болеечем в 2 раза) пористости и повышению механических свойств, особеннопредела усталости (табл. 14.з).

Состояние	Пористость, %	ив	0'0.2	б	Ф	кси,	0'-1, МПа (на
		МПа		%		МДж/м2	базе 107 циклов)
Литое	2,8	860	820	8,0	20,0	0,6	290
Термообра-	1,0	1080	990	8,9	18,0	0,5	540
ботанное*

Видно, что термоводородная обработка (до 0,8 % Н) в сочетании с го­рячим изостатическим прессованием обеспечивает повышение прочност­ных характеристик на 15 - 20 %, а предела усталости на 65 - 80 %.

58.

Коррозионно-стойкие стали являются высоколегированными и содер­жат не менее 13 % Cr, что обеспечивает образование на поверхности ме­талла пассивирующей защитной пленки.

Их разделяют на классы в зависимости от структуры, котораЯ образуется после высокотемпературного нагрева и охлаждения на воз­духе (рис. 15.з): мартенситный, мартенситно-ферритный (при содержа­

нии феррита не менее 10 %), ферритный, аустенито-ферритный (при со­держании феррита не менее 10 %), аустенитный и аустенитно-мартенсит­ный (ГОСТ 5632-72). Суммарное влияние феррито- и аустенитообразую­щих элементов характеризуют эквиваленты хрома Сгэкв и никеля Niэкв:

Сгэкв = Сг + 2Si + 1,5Мо + 5V + 5,5Al + 1,75Nb + 1,5Ti + 0,75Wj

Niэкв = Ni + 0,5Mn + 30С + 30N + 0,3Cu,.

Азот - доступный практически в неограниченном количестве из воз­духа легирующий элемент - отличается повышенной аустенитообразу­ющей и упрочняющей способностью. Он эффективно заменяет никельи, являясь, как и углерод, элементом внедрения, интенсивно упрочняетсталь. Использование азота в качестве легирующего элемента сдержива­лось трудностью введения его в сталь ввиду малой (0,045 % (мас.)) рас­творимости в жидком железе. Кроме того, азот улетучивается из сталипри термической обработке и сварке

В настоящее время разработаны промышленные способы введения азота в жидкую сталь, что привело к созданию нового перспективного класса высокоазотистых сталей, отличающихся высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Для введения азота необходимо большое давле­ние и наличие в стали нитридообразующих элементов (Ti, Nb, У, Cr, Mn). Сталь выплавляют в индукционной печи и раскисляют. После этого ковш с готовой сталью помещают в специальную установку, в которой создают давление газообразного азота до 10 МПа. На поверхности стали молеку­лы азота диссоциируют, атомарный азот растворяется и диффундируетв жидкую сталь. Процесс кристаллизации идет при высоком давлении, масса получаемых слитков - до 2 т.

59.

Жаростойкость железа и сталей повышают легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30 %. С увеличением количества хрома в стали, а также с ростом температуры и выдержки содержание хрома в оксиде воз­растает. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, чтоведет к повышению жаростойкости.

Жаростойкими являются высоколегированные хромистые стали фер­ритного и мартенситного класса, хромоникелевые и хромомаргандевыестали аустенитного класса. Чем больше хрома содержит сталь, тем вышемаксимальная температура ее применения и больше срок эксплуатадииизделий. Жаростойкость определяется главным образом химическим со­ставом стали (т .е. содержанием хрома) и сравнительно мало зависит отее структуры.

Дополнительное легирование жаростойких сталей кремнием (до 2 ­3 %) и алюминием (до 1 - 2 % в сталях и до 4 - 5 % в сплавах с высокимЭJiектрическим сопротивлением) повышает температуру эксплуатации.

Низкоуглеродистая сталь при большом содержании хрома приобре­тает однофазную ферритную структуру. Б процессе длительной работЬ:r при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровожда­ется понижением ударной вязкости. Для предотвращения охрупчиванияст.аль дополнительно легируют карбидообразующими элементами (напри­мер, Ti). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состави свойства некоторых жаростойких сталей приведены в табл. 15.4.

Марка	Содержание элементов, %
	С	Cr	Ni	Si	(1'в, МПа	б,%
08Х17Т*	:5 0,08	16 - 18	0,7	0,8	400	20
15Х28*	:5 О, 15	27 - 29	0,8	1	450	20
20Х23Н18**	:5 0,2	22 - 25	17 - 20'	1	500	35
20Х25Н20С2**	:5 0,2	24 - 27	18 - 21	2-3	600	35

Следует отметить, что стали 08Х17Т и 15Х25Т ферритного класса (в структуре преобладает феррит) нежаропрочны, поэтому их используют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенно ударных. Сплавы 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустеn:итного класса не только жаро­стойки, но и жаропрочны. Области применения жаростойких сталей исплавов указаны в табл. 15.5.

Б жаростойких сталях содержание алюминия и кремния ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшают технологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можно исключить, если использовать их при поверхностном легировании. Жаростойкие ста­ли Х13Ю4 и Х23Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так же как исплав Х20Н80, используют как материалы с повышенным электрическимсопротивлением.

Низкая жаростойкость тугоплавких металлов - Мо, W, Та, Nb созда­ет большие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных ' материалов. Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и эксплуатации тугоплавких металлов вызывает в некоторых

случаях большие технические трудности. Объемное легирование этих ме­таллов не приводит к повышению жаростойкости, хотя для повышенияжаропрочности оно может быть эффективным. Высокой жаростойкостиможно добиться, используя жаростойкие тугоплавкие покрытия.

60. – Жаропрочные стали

Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали используются, при 450-700 С

Перлитные Стали

Перлитные стали предназначены для длительной эксплуатации при 450-580С, используются в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1% за 1000 или 10000 часов. Жаропрочность перлитных сталей обеспечивается выбором рационального химического состава и полученной в результате термической обработки структуры легированного феррита с равномерно распределенным в нем частицами карбидов. П.С. являются низкоуглеродистыми сталями ( от 0,08 до 0,15 % С)и не более 2-3% карбидообразующих элементов (Мо, Сr и V).

Мартенситные стали предназначены для изделей, работающих при 450-600 гр. С, от перлитных они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочности эти стали немного превосходят перлитные. Критерий жаропрочности мартенситных сталей – предел ползучести с допустимой деформацией 0,1 % за 1000 ч или 10000ч. Различают 2 группы мартенситных сталей: 1) Стали с содержанием хрома 10-12%, добавками Мо, V, Nb, W и низкими (0,1 -0,15 %) содержанием углерода 2) сильхромы с содержанием хрома 5-10%, добавками кремния в количестве 2-3% и повышенным содержанием углерода (до 0,4%)

Аустенитные стали по жаропрочности превосходят П. и М. стали, используют их при температурах выше 600 гр. С. Основные лигирующие элементы Хром и Никель (иногда Мн или N). Соотношение м/у ними выбирают таким образом, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Ферритообразующие элементы мо, Nb, Ti, Al, W и др. вводят в стали для повышения жаропрочности, они образуют карбиды или промежуточные фазы. Аустенитные стали содержат, как правило, ~ 0,1 % С и лишь иногда 0,4 % С. А. жарпр. Стали подр. На 3 группы: 1) однофазовые стали, не упрочняемые термической обработкой (жаропрочность увеличивается с помощью наклепа) 2) стали с карбидным упрочнением (содержат несколько карбидообразующих элементов3) Стали с интерметаллидным упрочнением (для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Cr, Mo, W, добавки Алюминий , титан, тантал служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа NiAl3. Их упрочняют закалкой и старением)

61.

Жаропрочные никелевые сплавы

Жаропрочные никелевые сплавы содержат, как правило, 10 - 12 % Cr

и такие элементы, как W, Мо, У, Со, Al, Ti, В и др.

Мо, W, Со, Cr уцрочняют матричный твердый раствор на основе никеЛя; А1 и Ti вместе с Ni образуют метастабильную l' -фазу с такой же структурой, как и матричный раствор (ГЦК); углерод в количестве до 0,1 - 0,15 % формирует дисперсные карбиды на границах зерен.

Термическая обработка сплавов заключается в закалке и старении. Детали нагревают до 1150 - 1250 ос дЛЯ получения однородного раствора и охлаждают на воздухе. За время охлаждения внутри твердого раство­ра происходит перераспределение атомов алюминия и титана, образуютсямалые объемы, обогащенные этими элементами. При старении в этихобъемах возникают частицы l' -фазы, когерентные с матричным твердымраствором. Периоды решеток 'У- и 'У'-фаз отличаются незначительно (все­го на '" 0,1 %), поэтому полученная метастабильная структура сохраня­ется при высоких температурах в течение 20000 - 30000 ч.

Частицы 'У' -фазы имеют размеры 20 - 40 нм, а ее содержание, в зави­симости от легирования, доходит до 20 - 50 %. Переход метастабильной'У'-фазы в стабильную фазу Ni3Ti означает утрату когерентности, укруп­нение частиц второй фазы и значительную потерю жаропрочности.

. Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости И жаропрочности. Помимо основного назначения - изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для производства штампов и матриц горячего деформирования металлов. Их используют при температурах от 7500С, но не выше 950 -1О000С. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около 10 % Сг, недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности алитированием и хромоалитированием. Жаропрочные никеле­вые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, они имеют низкую теплопроводность и значи­тельное тепловое расширение.

62.

63.

Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали имеют вы­сокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию, рав­ную 0'0 002/ E~ в связи с этим их применяют, для изготовления жестких

(силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные

рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторострое­нии, железнодорожном транспорте, станкостроении. Кроме того, они на­ходят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто этиматериалы называют пр ужинными сталями общего назначения.

Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рес­сорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, вы­носливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетво­ряют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 - 0,7 %), которыеподвергают закалке и отпуску при 420 - 520 ос.

Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он заметно повышается при отпус­ке, когда образуется структура тро­остита (рис. 12.2). В этой структуреферрит из-за сильного фазового на­клепа имеет высокую плотность ма­лоподвижных дислокаций, которые, кроме того, эффективно блокируют­ся дисперсными карбидными части­цами. Поэтому троостит отличаетсястабильной дислокационной струк­турой.

Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает не­которое повышение пластичности ивязкости разрушения (особенно в

сталях, не склонных к отпускной хрупкости), что важно для снижениячувствительности к концентраторам напряжений 'и увеличения пределавыносливости.

Хорошие результаты дает также изотермическая закалка на струк­туру нижнего бейнита. Она обеспечивает высокие механические свойствапри малой деформации изделий.

64.

. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Высокопрочными называют чугуны с шаровидным гра­фитом, который образуется в литой структуре в процессе кри­сталлизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным кон­центратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферро­силицием. Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие ме­ханические свойства, не уступающие свойствам литой углероди­стой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обра­батываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % С 3. пРИМЕСИ ГРАФИТА, ХЛОПЕЬВИДНОЙ ФОРМЫ.

Маркируют ВЧ и числа , обозначающие уменьшение в 10 раз временного сопротивления

Примеси; кремний 1,1, Мн 0,3 -0,7 до 0,02 серы и до 0,1 фосфора

65.