3. Опишите характеристики жаропрочности, характер деформации и разрушения сплавов, работающих в условиях длительного нагружения при повышенных температурах.

Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. .

Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной, кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках^.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700—950 °С) создают на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах (до 1200—1500 °С)— на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочность стали и других металлических сплавов в силь­ной степени зависит от величины межатомной связи, а также от их структурного состояния. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно считать, что чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень приме­нения этих сплавов.

Повышение жаропрочности достигается легированием твер­дого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрап­ленных в основной твердый раствор и по границам зерен диспер­сных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура полу­чается в результате закалки с высоких температур и последую­щего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при вы­соких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцеплений), предел текучести и временное сопротивление, При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряже­ниях, чем при обычных статических испытаниях.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время то он в течение всего времени действия температуры и нагрузи будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.

Одним из факторов, определяющих жаропрочность, является высокое сопротивление ползучести. Жаропрочность сплавов оценивается пределами длительной прочности или ползучести при высоких температурах, и связана, в первую очередь, с их структурой и составом. По структуре жаропрочные сплавы должны быть многофазными с прочными границами зёрен и фаз. В никелевых жаропрочных сплавах сказанное обеспечивается многокомпонентным легированием. При этом жаропрочность сплавов тем выше, чем больше объёмная доля упрочняющих фаз и чем выше их термическая стабильность, то есть устойчивость против растворения и коагуляции при повышении температуры.

Для определения предела ползучести испытуемый образец и течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуры при фик­сировании деформации образца во времени.

Процесс испытания представляют в виде первичной кривой ползучести в координатах удлинение - время.

По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел пол­зучести.

Предел ползучести обозначают (ГОСТ 3248—81) с числовыми индексами, например— предел ползучести при до­пуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С. При этом необходимо указать, как определялся предел ползучести — по суммарной или остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести обозна­чают с двумя числовыми/индексами. Нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний — температуру ис­пытания, °С; например — предел ползучести при скорости ползучести%/ч при температуре 600 °С.

Испытание на длительную прочность отличается от испытания на ползучесть тем, что испытуемый образец доводят при данной температуре и напряжении до разрушения. В результате испыта­ния определяют предел длительной прочности, т. е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре (ГОСТ 10145—81). Предел длительной прочности обозначается с двумя числовыми индексами, например — предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С. В логарифмических координатах зависи­мость между напряжением и временем до разрушения представляет собой прямую линию. Это позволяет для ряда спла­вов экспериментально построенные кривые для продолжитель­ности 700—1000 ч экстраполировать на значительно большую длительность (10 000—100 000 ч).

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов со­ставляют примерно (0,45—0,8) Т_п ,температуры плавления. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от 1—2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационар­ные газовые и паровые турбины).

При температурах ниже (0,45—0,5) Т_п прочность сплавов определяется стабильностью их дислокационной структуры. При более высоких температурах стабильность дислокационной струк­туры нарушается (уменьшается плотность дислокаций, растет число вакансий и т. д.) и развиваются диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избыточных фаз и т. д.).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходят по границам зерен. Это объясняется тем, что по гра­ницам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакан­сий, дислокаций и т. д.) легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные перемещения по­граничных атомов не имеют направленного характера. При нали­чии даже небольших напряжений эти перемещения атомов, особенно на границах зерен, приобретают направленный харак­тер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходят перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела, так называемое проскальзывание. Такой механизм пластической деформации называют диффузион­ной пластичностью в отличие от сдвиговой по объему зерна, опи­санной ранее.

Таким образом, если при низких температурах границы зерен тормозят движение дислокаций и упрочняют сплав, то при высо­ких температурах, наоборот, способствуют ускоренному разупроч­нению поликристаллических металлов. Более крупное зерно спо­собствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается.

4. Для заливки вкладышей ответственных подшипников скольжения выбран сплав Б83. Укажите состав и определите группу сплава по назначению. Зарисуйте и опишите микроструктуру сплава, Приведите основные требования, предъявляемые к баббитам.

Марка	Б83
Классификация	Оловянные баббиты
Применение	для изготовления баббитов в чушках, применяемых для заливки подшипников и других деталей; температура заливки 440-460°C ; температура начала расплавления 240°C

Механические свойства при Т=20oС материала Б83

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
			110-120	80-85

Твердость материала Б83

HB 10 -1 = 27 - 30 МПа

Физические свойства материала Б83

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20				7380

Литейно-технологические свойства материала Б83

Температура плавления, °C :

370

Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 – 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ90 – 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.

Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83% Sn , 11% Sb и 6% Си. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов b -фазы (твердые включения) и темных a -кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в a -фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Промежуточную фазy можно рассматривать как твердый раствор на основе соединения SnSb.

Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu₃Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких b -кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз – a , b (SnSb) и g (Cu₃Sn.) (рис.1).

Рис.1. Микроструктура баббита Б83

(Справа - схематическое изображение микроструктуры)

Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.

5. Почему для изготовления инструмента применяется сталь с исходной структурой зернистого перлита? В результате какой термической обработки можно получить эту структуру? Приведите конкретный режим любой инструментальной стали.

Инструментальной называется сталь, содержащая в своем составе более 0,7% углерода. К основным характеристикам инструментальной стали следует отнести прочность и твердость, максимальные показатели которых достигаются после процедуры термической обработки. Основным применением такой стали является изготовление инструментов.

Инструментальная сталь подразделяется на качественную и высококачественную. Низкая цена и высокая твердость делают инструментальную сталь максимально востребованной. Однако необходимо отметить и недостатки, которыми обладает инструментальная сталь, главным из которых является ее низкая износостойкость. Именно наличие этого недостатка обусловливает область применения инструментальных сталей и не позволяет использовать их при изготовлении деталей оборудования и машин, подверженных постоянным нагрузкам.

Углеродистые стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (НВ 170— 180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10 – У13 должна быть 760—780 °С, т. е. несколько выше Ас₁, но ниже А_ст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную струк­туру и сохраняли мелкое зерно и нерастворенные частицы вто­ричного цементита. Закалку проводят в воде или водных раство­рах солей. Мелкий инструмент из сталей У10—У12 для уменьше­ния деформации охлаждают в горячих средах (ступенчатая за­калка).

Отпуск проводят при 150—170 °С для сохранения высокой твердости (62—63 ИКС).

Углеродистая инструментальная сталь (марки У7, У9, У8, У10 и др.) имеет свойство терять прочность при нагревании. Именно этим обуславливается ее применение при изготовлении инструментов, работающих при условиях резания с небольшими скоростями, и соответственно с небольшими температурами нагревания (не более 200 градусов по шкале Цельсия). Как правило, из нее изготавливают метчики, сверла, развертки, напильники и т. п. Имея не высокие показатели свариваемости, углеродистая инструментальная сталь не применяется для конструкций сварных.

Инструментальная сталь легированная (марки 4Х5 МФС, 5ХНМ, 3Х3М3Ф, 4Х5 МФС и др.) содержит в своем составе легирующие элементы (медь, марганец, никель и прочие), существенно улучшающие ее характеристики.

Основным применением легированной инструментальной стали является изготовление штампового и режущего инструмента. Это разнообразные фрезы, сверла, метчики, плашки, развертки и прочее. Этот вид стали не применим для сварных конструкций.

Быстрорежущие инструментальные стали (марки Р18, Р6М5, Р6М5Ф3, Р9К9, Р18, Р6М5К5 и др.) применяются для изготовления режущего инструмента, работающего на больших скоростях резания, и соответственно испытывают нагревание (от 600 до 6 500 градусов по шкале Цельсия) от трения в процессе работы, сохраняя твердость и не деформируясь. Этот вид стали имеет хорошую свариваемость со сталью марки 45 и 40Х посредством стыковой сварки.