2.5. Практическое занятие. Задачи по цветным сплавам, чугунам и композиционным материалам

Теоретическая часть

Все эти рассматриваемые материалы в общем случае можно отнести к материалам с повышенными технологическими свойствами, т.е. обеспечивающими минимальную (наименьшую) трудоемкость при изготовлении деталей и конструкций. Весьма важным в этом случае является обеспечение высокой удельной прочности и ряда других специальных свойств, что позволяет использовать рассматриваемые материалы в особых, часто экстремальных условиях эксплуатации.

Чугуны – наиболее широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких нагрузках. Преимущества чугуна – высокие литейные свойства и небольшая стоимость (по сравнению со сталью).

Сплавы на основе меди обладают хорошими механическими, антикоррозийными, антифрикционными и рядом других свойств, что позволяет широко их использовать в современном машиностроении. Для легирования медных сплавов, в основном, используют элементы, растворимые в меди – Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка и никеля, называются бронзами. Цинк и никель могут вводиться в бронзы как дополнительные легирующие элементы. Бронзы маркируются буквами Бр, далее следует буквенное и цифровое обозначение содержащихся элементов (кроме меди). Например, БрОФ10-1 – бронза оловянно-фосфорная, содержащая ~10 % олова и ~1 % фосфора (остальное медь). В зависимости от элементов, присутствующих в бронзе, различают оловянные, алюминиевые, свинцовые, оловянно-фосфорные и другие бронзы. Бронзы немагнитны, коррозионно-стойки, имеют высокие коэффициенты тепло- и электропроводности. Для улучшения свойств их подвергают термической обработке: отжигу, закалке и отпуску или пластическому деформированию с целью наклепа.

Алюминиевые сплавы обладают важным преимуществом, определяющим область их применения. Малая плотность (2,7-3,0 г/см³) при достаточно высоких механических свойствах. Однако они уступают сплавам на железной основе в величине модуля упругости: 7·10⁴ МПа у алюминия и 20·10⁴ МПа у сталей и чугунов. Кроме того, алюминиевые сплавы мало пригодны для упрочнения поверхностного слоя способами химико-термической обработки и их твердость и износостойкость ниже, чем стали. Некоторые из них, особенно дюралюмин, недостаточно устойчивы против коррозии в обычной атмосфере и не обладают хорошей свариваемостью. Алюминиевые сплавы (подобно сталям и чугунам) делят на: деформируемые (прокаткой, прессованием, штамповкой); литейные; изготовляемые способом порошковой металлургии.

Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением. Некоторые из этих сплавов для повышения прочности подвергают термической обработке: закалке, сообщающей структуру пересыщенного твердого раствора, и старению (дисперсионному твердению) – естественному или искусственному. Кроме того, для их упрочнения используется и термомеханическая обработка,

заключающаяся в закалке, холодной пластической деформации и старении. Для повышения стойкости против коррозии листов сплавов, главным образом дуралюмины, плакируют, т.е. покрывают защитным слоем алюминия (что, однако, снижает прочность и износостойкость).

Литейные алюминиевые сплавы подразделяют на следующие сплавы:

с наиболее высокими литейными свойствами легируются кремнием; они

называются силуминами; с повышенными механическими свойствами легируются магнием и медью; устойчивые против нагрева (жаропрочные).

Магниевые сплавы используют в машиностроении преимущественно с алюминием, марганцем и цинком, реже с цирконием и ниобием. Основное преимущество магниевых сплавов по сравнению с остальными промышленными металлами – небольшая плотность (1,7…1,8 г/см³). Однако их модуль упругости не высок (43000 МПа). Вследствие этого магниевые сплавы пригодны для мало нагруженных деталей. Для магниевых сплавов характерен, кроме того, высокий уровень демпфирования (т.е. способность гасить вибрации), что уменьшает опасность появления резонансных пиков напряжений. Магниевые сплавы, подобно сплавам алюминия и железа, делятся на деформируемые и литейные.

Титановые сплавы являются сравнительно новым конструкционным материалом, основными преимуществами которого, определяющими область его использования можно считать небольшую плотность ~4,5 кг/м³, высокую стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у стали). Титановые сплавы практически превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы в стойкости против коррозии в морской воде, в том числе и при длительной работе, а также в таких агрессивных средах, как влажный хлор, горячая азотная кислота высокой концентрации и некоторых других. Коррозионная стойкость титановых сплавов дополнительно возрастает при введении очень малых количеств палладия. Прочностные свойства титановых сплавов различаются в зависимости от состава и структуры, получаемой при термической обработке. Некоторые сплавы титана, обладая меньшей плотностью, не уступают в прочности легированным конструкционным сталям после улучшающей термической обработки.

Композиционные материалы в настоящее время все более широко используются в современном машиностроении. Они отличаются самой высокой по сравнению с другими материалами удельной прочностью, что позволяет резко снизить массу и соответственно материалоемкость конструкций. Вообще области применения этих материалов практически не ограничены.

Композиционный материал – это гетерогенная система, состоящая из матрицы, в качестве которой используют полимеры, керамику или металл, и упрочнитель в виде высокопрочных и высокомодульных волокон или частиц. В случае использования волокон такие композиционные материалы называют волокнистыми, а в случае частиц – дисперсноупрочненными. В этих разных классах композиционных материалов неодинаковой является и роль матрицы. У волокнистых материалов матрица кроме передачи на волокна напряжений, возникающих при нагружении изделий из подобных материалов, служит также для защиты волокон от повреждений и для оформления конфигурации изделий при

их изготовлении методами прессования или литьем. В то же время сама матрица не является источником упрочнения. В дисперсноупрочненных материалах матрица, напротив, является основным носителем упрочнения.

Полимерные материалы (пластмассы) как никакой другой материал находит применение в промышленности во все возрастающих объемах.

Это объясняется тем, что пластмассы обладают малой плотностью (~1,5 кг/м³) и поэтому даже при небольшой прочности обладают высокой удельной прочностью, превосходя по этому важному показателю такие традиционные конструкционные материалы, как сталь, латунь и т.п. К другим ценным свойствам пластмасс следует отнести высокую химическую стойкость и диэлектричность, а также их хорошие технологические свойства, что позволяет изготовлять из них изделия литьем, прессованием и т.п.

Пример решения задачи

Многие изделия изготавливают из латуни вытяжкой из листа в холодном состоянии. Иногда в изделиях обнаруживаются трещины, возникающие без приложения внешних нагрузок (так называемое «сезонное растрескивание»). На рис. 308 показана деталь после глубокой вытяжки и после растрескивания при вылеживании. Объяснить сущность этого явления и указать способы его предупреждения. Подобрать марку латуни, не подверженной сезонному растрескиванию. Кроме того, описать структуру, механические и технологические свойства α- и (α + β')-латуней.

Решение задачи. Латуни в зависимости от содержания цинка и структуры можно разделить на три класса:

1. α-латуни до 39,5% Zn

2. (α + β')-латуни 39,5…45,7% Zn

3. β'-латуни 45,7…51% Zn

Увеличение содержания цинка изменяет структуру и свойства латуни (рис. 1). Увеличение содержания цинка до определенного предела повышает пластичность и прочность. Пластичность достигает максимальных значений при 30-32 % Zn, а прочность – при 40 %. При дальнейшем увеличении содержания цинка прочность и пластичность снижаются.

Это изменение свойств определяется свойствами соответствующих фаз, образующихся при введении цинка:

α-фаза – твердый раствор типа замещения, пластичность и прочность которой возрастают по мере увеличения содержания цинка; β'-фаза – твердый раствор на базе электронного соединения с объемноцентрированной кубической решеткой и упорядоченным расположением атомов (эта фаза отличается повышенной хрупкостью и твердостью, поэтому ее образование снижает вязкость и повышает твердость латуни. При нагреве выше 450 °С β'-фаза превращается в неупорядоченный твердый раствор β, отличающийся большей пластичностью, чем β'-фаза. Из диаграммы состояния «Cu-Zn» видно, что двухфазные (α + β')-латуни приобретают при таком нагреве однородную структуру β-твердого раствора, а следовательно, и большую пластичность. Эти свойства фаз определяют технологический процесс изготовления изделий из различных сортов латуни, а также их назначение. Изделия из α-латуни изготавливают главным образом холодной или горячей деформацией, т.к. обработка резанием не дает достаточно чистой поверхности. Изделия из (α + β')-латуни изготавливают

горячей (прессование, штамповка) или холодной деформацией (но без вытяжки) или обработкой резанием.

Изделия из α- или (α + β')-латуней применяют в отожженном или в наклепанном состоянии, поскольку термическая обработка (закалка и отпуск) не дает заметного эффекта. В наклепанном состоянии (т.е. после холодной деформации)

латунь обладает большей прочностью при пониженной пластичности (рис. 1).

а б

Рисунок 1 – Механические свойства латуни в зависимости от содержания цинка:

а – литая латунь; б – катаная и отожженная латунь

В результате последующего отжига прочность сплава понижается, но пластичность возрастает (рис. 2).

0 10 30 50 70 п.д. 200 400 600

деформация, % отжиг, ^оС

Рисунок 2 – Механические свойства латуни Л70 в зависимости от степени холодной деформации и температуры отжига. П. д. – после деформации

Холодная деформация латуни создает в изделии остаточные напряжения. Они возникают и в результате местной холодной деформации (при изгибе деталей, чеканке, развальцовке и т.п.). При вылеживании или эксплуатации в латунных изделиях иногда возникают трещины. «Сезонное растрескивание» наблюдается главным образом в латунях с содержанием более 20 % Zn и отчетливо обнаруживается, например, в полых изделиях, прутках и т.д. «Сезонное растрескивание» усиливается в химически активных средах, особенно в парах аммиака, ртутных солей, ртути, мыльной воде и т.п. Образование трещин является результатом совместного действия остаточных напряжений, созданных холодной деформацией (наиболее опасны растягивающие напряжения) и химически активных сред.

Для предохранения от «сезонного растрескивания» нужен отпуск с нагревом до 200…….300 °С; это снимает большую часть остаточных напряжений и

незначительно снижает прочность. Но в условиях изготовления и монтажа конструкций с применением развальцовки, гибки и т. д. не всегда можно избежать возникновения местных, даже незначительных деформаций, а, следовательно, и «сезонного растрескивания». В таких случаях применяют более дорогие (но имеющие меньшую прочность),не склонные к «сезонному растрескиванию» латуни Л96 и Л90.

Механические свойства и состав этих латуней (после прокатки и отжига), а также широко применяемой латуни Л68 и типичной (α + β')-латуни ЛС59-1 приведены в табл. 8.

Таблица 8 – Состав и механические свойства латуней

Структурный класс сплава	Марка	Сu, % (остальное Zn)	Примеси (Fe, Si и др.), %	Механические свойства (не менее)
				σВ, МПа	δ, %
α-латунь	Л96 Л90 Л80 Л68	95…97 89…90 79…81 67…70	≤ 0,30 ≤ 0,30 ≤ 0,30 ≤ 0,30	230 270 280 300	35 38 45 55
(α+β')-латунь	ЛС59-1	58…61 Pb 0,8…1,9	0,75	350 400*	30 15*

^* Для отожженных лент и листов, а также для прессованных прутков.

Латуни Л96 и Л90 обладают высокой теплопроводностью. Латуни можно заменить алюминиевой бронзой, не склонной к «сезонному растрескиванию» и обладающей аналогичными значениями прочности и пластичности.

ЗАДАЧИ

Вариант 1

Блоки цилиндров двигателей трактора изготавливают из чугуна с твердостью 170…241 НВ с повышенной прочностью и износостойкостью. Выбрать марку чугуна, описать его структуру, привести механические свойства и указать, каким должен быть его состав для того, чтобы обеспечить получение заданных свойств чугуна. Каковы должны быть требования к химическому составу и структуре чугуна, если цилиндры нагреваются в работе до 500…600 °С?

Вариант 2

Завод изготовлял червячные колеса диаметром 150 мм и толщиной 40 мм из серого чугуна. В дальнейшем потребовалось изготовить колеса из чугуна, обладающего временным сопротивлением в 1,5 раза более высоким, и относительным удлинением не менее 2…3 %. Указать структуру серого чугуна, обладающего наиболее высокими механическими свойствами, которые можно получить в отливке указанной толщины. Привести способ получения чугуна, имеющего прочность в 1,5 раза больше прочности указанного серого чугуна, и охарактеризовать его структуру.

Вариант 3

Завод изготовляет чугунные детали двух типов: а) массивные сложной формы (без внутренних отверстий); б) тонкостенные. Детали воспринимают в эксплуатации динамические нагрузки. В связи с этим чугун в обоих случаях

должен иметь повышенные механические свойства, в том числе относительное удлинение не ниже 5 %. Выбрать тип и марку чугуна для деталей каждого из указанных типов и обосновать. Описать структуру выбранных чугунов и привести механические свойства.

Вариант 4

Коленчатый вал двигателя легкового автомобиля экономично изготовлять

из чугуна – материала, мало чувствительного к надрезу и хорошо гасящего вибрации. Для этого назначения используют чугун повышенного качества. Выбрать класс и марку чугуна с временным сопротивлением растяжению не ниже 400 МПа и относительным удлинением 2…3 %. Указать структуру выбранного чугуна и форму выделения графита и объяснить, какие изменения в этом случае надо внести в условия выплавки.

Вариант 5

В практике литья тонкостенных изделий из серого чугуна иногда получают отливки с поверхностным слоем весьма повышенной твердости, что затрудняет механическую обработку. Указать причины получения повышенной твердости в поверхностном слое: его структуру и режимы термической обработки для снижения твердости таких отливок. Для каких назначений необходимо получение в изделиях поверхностного слоя высокой твердости? Указать способы отливки, обеспечивающие получение такого слоя.

Вариант 6

Трубки в паросиловых установках должны быть стойки против коррозии. Подобрать марку сплава на медной основе, пригодного для изготовления трубок и не содержащего дорогих элементов; привести состав выбранного сплава. Указать способ изготовления трубок и сравнить механические свойства выбранного сплава, получаемые после окончательной обработки, с механическими свойствами стали, стойкой против коррозии в тех же средах.

Вариант 7

В химическом машиностроении применяют специальные латуни для изготовления литьем коррозионностойких тяжелонагруженных деталей. Выбрать марку сплава с временным сопротивлением не ниже 450 МПа, привести его состав, механические свойства, структуру и указать, в каких средах такой сплав является устойчивым. Сопоставить механические свойства латуни выбранного состава с аналогичными свойствами латуни ЛС59-1 и указать область применения латуни ЛС59-1.

Вариант 8

Многие детали приборов и оборудования, подверженные действию морской воды, изготавливают из цветного сплава путем холодной деформации в несколько операций. Подобрать сплав, стойкий против действия морской воды и привести его химический состав. Указать режим промежуточной термической обработки выбранного сплава и привести его механические свойства после деформации и термической обработки. Сравнить состав стали, стойкой против действия морской воды; привести режим ее термической обработки, механические свойства и структуру.

Вариант 9

Некоторые детали арматуры турбин, котлов и гидронасосов и т.п., работающие во влажной атмосфере и изготавливаемые массовыми партиями литьем,

имеют сложную форму. В процессе литья должна быть обеспечена максимальная точность размеров. Указать состав применяемого для этой цели цветного сплава, его структуру и механические свойства; привести способ литья, позволяющий создать требуемую высокую точность отливки с минимальной последующей механической обработкой. Привести химический состав стали для форм, применяемых для литья выбранного сплава, и указать

режим термической обработки, а также структуру стали в готовом изделии.

Вариант 10

Необходимо изготовить зубчатые колеса из сплава, стойкого против действия воды и пара и обладающего небольшим коэффициентом трения. Сплав должен иметь временное сопротивление не ниже 350 МПа. Объяснить, почему в таких случаях не применяют нержавеющую сталь, стойкую против коррозии в условиях воды и пара. Указать состав и структуру цветного сплава, не содержащего дорогих элементов и пригодного для изготовления подобных зубчатых колес.

Вариант 11

Многие детали изготавливают из листа способом глубокой вытяжки. Выбрать состав цветного сплава, обладающего высокой пластичностью и хорошей способностью принимать вытяжку; привести его состав и структуру. Указать режим и назначение термической обработки, применяемой между отдельными операциями вытяжки для повышения пластичности, а также механические свойства после вытяжки и после термической обработки. Привести состав стали, применяемой для глубокой вытяжки, и сопоставить механические свойства выбранного цветного сплава с аналогичными свойствами стали.

Вариант 12

Вкладыши коренных и шатунных подшипников двигателей внутреннего сгорания изготавливают из бронзы, отличающейся высокими антифрикционными свойствами и не содержащей особо дорогих элементов. Подобрать состав сплава и привести способ изготовления из него деталей, указать его строение и механические свойства, а также причины, по которым подобный сплав хорошо работает в условиях износа. Для сравнения привести состав и строение других антифрикционных сплавов, обладающих более низкими температурами плавления и применяемых для заливки подшипников.

Вариант 13

Арматура котлов, работающих в условиях пресной воды и пара под давлением до 2,5 МПа (краны, вентили и т.п.), а также трубки и корпусы приборов (например, манометров), работающие в аналогичных условиях, изготавливают из цветных сплавов, стойких против коррозии. Указать состав, способ изготовления, структуру и механические свойства: сплава с хорошими литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием для изготовления арматуры; сплава высокой пластичности в холодном состоянии для изготовления трубок и корпусов приборов.

Вариант 14

Некоторые винты, болты, гайки и т.п. изготавливают из латуни на быстроходных станках – автоматах. Латунь, обладающая высокой вязкостью и пластичностью, не получает достаточно чистой поверхности при обработке резанием. Выбрать латунь, применение которой позволяет получить чистую поверхность и высокую производительность при обработке сплава резанием.

Сравнить механические свойства и структуру выбранного сплава с аналогичными характеристиками латуни высокой вязкости и пластичности.

Вариант 15

Червяк редуктора для уменьшения коэффициента трения часто изготавливают из стали, а венец колес – из сплава на медной основе. Указать марку и состав сплава для венца, колеса, обладающего высоким антифрикционными

свойствами и временным сопротивлением σ_В не ниже 250 МПа. Объяснить, как изменяются механические свойства сплава в зависимости от условий литья (в кокиль или в землю). Указать для сравнения состав, термическую обработку, структуру и механические свойства стали для изготовления червяка редуктора диаметром 30 мм, если временное сопротивление должно быть не ниже 700 МПа.

Вариант 16

Поршни многих двигателей внутреннего сгорания изготавливают из деформируемого сплава на алюминиевой основе с добавками легирующих элементов, способствующих сохранению механических свойств при нагреве до 250…300 °С. Указать состав и свойства сплава на алюминиевой основе, применяемого для этой цели, а также рекомендовать состав сплава на основе титана, обладающего повышенной прочностью при температурах до 400…500 °С и, таким образом, пригодного для изготовления поршней, работающих при более высоких температурах.

Вариант 17

Головки цилиндров поршневых автомобильных двигателей, работающих при повышенных температурах, изготавливают из легких сплавов литьем. Привести химический состав сплава, применяемого для этой цели, указать роль отдельных компонентов сплава, его структуру и механические свойства.

Вариант 18

Каркас самолета, рассчитанного на полет с дозвуковыми скоростями и воспринимающего значительные нагрузки, изготавливают часто из легкого сплава с пределом прочности не ниже 400 МПа. Привести состав и плотность сплава, а также режим термической обработки, структуру. Указать его механические свойства после каждой операции термической обработки, объяснив, какие превращения в сплаве соответствуют повышению прочности. Сопоставить механические свойства выбранного сплава с механическими свойствами хромоникелевой нержавеющей стали. При сопоставлении учесть, что детали должны обладать максимальной удельной прочностью при данной температуре.

Вариант 19

Детали самолетов, имеющих сравнительно сложную форму (педали, рычаги, стойки педалей и т.п.), изготавливают из сплава с малой плотностью с хорошими литейными свойствами, обладающего, кроме того, хорошей обрабатываемостью резанием. Временное сопротивление его должно быть не ниже 220 МПа. Рекомендовать состав сплава, а также режим термической обработки; указать структуру и механические свойства в готовом изделии. Сопоставить механические свойства и режим термической обработки выбранного сплава с аналогичными свойствами и режимом термической обработки пластически деформируемого сплава на алюминиевой основе.

Вариант 20

Топливные и масляные баки и некоторые другие детали самолетов изготавливают из сплава плотностью 1,7 кг³. Этот сплав имеет высокую пластичность в горячем состоянии, стойкость против коррозии, а также допускает сварку длинных швов. Привести химический состав сплава, его структуру и механические свойства. Сопоставить состав, структуру, механические свойства, и плотность выбранного сплава с химическим составом и аналогичными свойствами материалов, стойких против коррозии в условиях морской воды и влаги:

алюминиевого сплава и легированной стали.

Вариант 21

Тормозные колодки, барабаны, кронштейны и тому подобные детали самолетов во многих случаях изготавливают из сплава с минимальной плотностью. Рекомендовать состав из сплава, применяемого для этой цели, и технологический процесс изготовления деталей. Указать возможность термической обработки сплава, режим последней, механические свойства в готовом изделии и возможности повышения коррозионной устойчивости сплава. Привести плотность выбранного сплава и дуралюмина.

Вариант 22

Отдельные нагруженные детали самолетов, например, тяги управления, изготовляют из легкого сплава с пределом прочности не ниже 400…450 МПа. Привести состав и плотность сплава, а также режим термической обработки и указать структуру и механические свойства после каждой операции термической обработки. Указать способы повышения коррозионной стойкости деталей из этого сплава. Отдельные высоконагруженные элементы самолета можно изготовить также из сплава имеющего плотность 4,5 кг/м³, предел текучести 750 МПа и обладающего очень высокой стойкостью против коррозии (в частности, в морской воде). Указать сплав, соответствующий этим повышенным требованиям.

Вариант 23

При значительном повышении скорости (за пределы скорости звука) самолетов и других летательных аппаратов значительно нагревается обшивка и другие детали конструкции; поэтому обычно применяемые алюминиевые сплавы оказываются непригодными в указанных условиях службы. Рекомендовать сплавы на основе металла плотностью 4,5 кг/м³ с повышенными механическими свойствами и удельной прочностью при температурах до 400…500 °С. Привести состав сплава и его свойства при нормальных и повышенных температурах.

Вариант 24

Нержавеющие стали, в том числе высоколегированные аустенитного класса, не имеют достаточной стойкости в соляной кислоте. Выбрать металл с плотностью 4,5 кг/м³ для баков и трубопроводов, обладающий высокой стойкостью в указанных условиях, и сравнить механические свойства выбранного сплава с аналогичными свойствами нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Обосновать высокую коррозионную стойкость легкого сплава.