1.2 Описание всех фаз диаграммы состояния Al-Si

На рисунке 2 представлена структурная диаграмма двухкомпонентной системы Al-Si.

Структура сплавов при содержании до 11,3% Si (доэвтектические сплавы) состоит из первичных кристаллов α-твердого раствора (кремния в алюминии) и эвтектики (α + Si). При более высокой концентрации кремния (заэвтектические сплавы) в структуре сплавов кроме эвтектики присутствуют первичные кристаллы кремния в виде пластинок, причем пластинчатая форма кремния в эвтектике обуславливает низкие механические свойства силумина [2].

cплав II

Рисунок 2 – Структурная диаграмма состояния Al-Si

FD – линия ограничения растворимости кремния в алюминии переменного состава;

AEC – линия эвтектического превращения ( в равновесии находятся 3 области – α, Ж и Si);

Растворимость Аl в Si очень мала, поэтому можно считать, что в системе Al - Si присутствует чистый Si.

AEB – линия ликвидус (AE – часть линии ликвидус, начало кристаллизации α из Ж (расплава); EB – часть линии ликвидус, начало кристаллизации Si из расплава).

Растворимость Si в Аl при эвтектической температуре равна 1,65%, при нормальной - около 0,05%. Эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из твердого раствора α и Si.

1.3 Механические свойства алюминиевых сплавов

Алюминий по объему производства пока стоит на втором месте после железа. В чистом виде в машиностроении как конструкционный материал из-за низкой прочности (от 8 до 100 МПа) и твердости (HB от 250 до 300 МПа) не применяется. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций широкое применение получили простые (двойные) и сложные (многокомпонентные) сплавы на его основе. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости, хорошей свариваемости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автомобилестроении, строительстве и других отраслях техники. Изделия из таких легких сплавов позволяют снизить массу, увеличить грузоподъемность, например, летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, морских судов, железнодорожного транспорта. Алюминиевые сплавы находят большое применение в сварных конструкциях криогенной техники. По способу изготовления изделий сплавы подразделяют на литейные и деформируемые. Кроме того, они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Основу литейных сплавов составляют сплавы Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Сплавы Al с Si, называемые силуминами, применяют только после модифицирования, которое измельчает их структуру, благодаря чему они приобретают достаточную вязкость при относительно высокой прочности. Для повышения прочностных характеристик двойные силимуны легируют Mg, Cu, Mn и др. элементами и подвергают термической обработке [3].

1

T

.4 Построение кривых охлаждения для сплава I (AK12 (АЛ2)) и для сплава II, содержащего 30% Si

время

охл. Ж

Ж [α+Si]Э

охл. [α+Si]

Рисунок 3 – Кривая охлаждения для сплава I (AK12)

T

время

охл. Ж

Ж Si

Ж [α+Si]Э

охл. Si

Рисунок 4 – Кривая охлаждения для сплава II (30% Si)

[α+Si]Э

1.5 Промышленный сплав АК12

Простой силумин марки АК12 благодаря эвтектической структуре ( рисунок 5, а) имеет отличные литейные свойства, что позволяет получать из него литые детали сложной конфигурации при невысоких механических свойствах. В температурном интервале 200-300 ⁰С происходит распад твердого раствора с коагуляцией выделяющейся дисперсной фазы, что исключает в дальнейшем возможность повышения механических свойств путем термической обработки [4].

а

б

а – до модифицирования; б – после модифицирования

Рисунок 5 – Микроструктуры сплава АК12.

Механические свойства такого сплава очень низки: _в = от 120 до 160 МПа при относительном удлинении   1 %.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2 – 3% от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АК12) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластичной фазы – твердого раствора (рисунок 5, б). всё это приводит к увеличению пластичности и прочности.

Химический состав алюминиевого литейного сплава должен соответствовать приведенному в таблице 2:

Таблица 2. Химический состав алюминиевого литейного сплава

в процентах

Марка сплава	Вид продукции	Массовая доля	Массовая доля
		Основных компонентов
		магния	кремния	марганца	меди	титана	никеля	алюминия
АК12 (АЛ2)	Чушка отливка	-	10-13	-	-	-	-	основа

Выплавка отливок из данного материала осуществляется всеми видами литья.Из сплава получают плотные герметичные отливки сложной формы, не испытывающие в процессе эксплуатации значительных нагрузок. Сплав АК12 используется в машиностроении, для изготовления изделий пищевого назначения.

Чушки из сплава АК12 на торце маркируют несмываемой цветной краской, либо белой, либо зеленой, (вертикальные полосы, кресты, треугольники) или металлическим клеймом на поверхности чушки.

2 Выбор марки нержавеющей стали

2.1 Условия выбора

Для изготовления ответственного изделия, работающего в агрессивной среде и под напряжением ~1000МПа выбрана нержавеющая сталь. Имеются стали 20Х13, 12Х18Н10Т и 09Х15Н8Ю. Какая из этих сталей удовлетворяет требованиям. Расшифруйте химический состав стали. Определите режим термической обработки и изложите, какие изменения в структуре обеспечивают заданные характеристики.

2.2 Анализ условий и выбор типа и марки нержавеющей стали

Химический состав сталей приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Марка стали	Содержание химических элементов, %
	С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Al	Cu	остальн.
20Х13	0,16-0,25	до 0,6	до 0,6	до 0,6	до 0,025	до 0,03	12-14	-	-	-
12Х18Н10Т	до 0,12	до 0,8	до 2	9-11	до 0,02	до 0,035	17-19	-	до 0,3	(5 С -0.8)Ti, остальное Fe
09Х15Н8Ю	до 0,09	до 0,8	до 0,8	7-9,4	до 0,025	до 0,035	14-16	0,7-1,3	-	-

Основные физические характеристики сталей приведены в таблице 4

Таблица 4

Марка стали	Физические свойства
	sв, МПа	sT, МПа	d5, %	y, %
20Х13	630	400	14	40
12Х18Н10Т	880-1080	-	10	-
09Х15Н8Ю	1100	-	20	-

Примечание: S_в- Предел кратковременной прочности,

S_T - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации),

d₅ - Относительное удлинение при разрыве,

y - Относительное сужение,

Согласно марочнику сталей [5] наибольший предел кратковременной прочности имеет сталь 09Х15Н8Ю, сталь 20Х13 предназначена для работы в слабоагрессивных средах, сталь 12Х18Н10Т имеет высокую прочность и может быть использована при низких температурах.