- •А. Н. Минков
- •Содержание
- •1 Конструкционная прочность и пути её повышения
- •1.1 Общие положения
- •1.2 Конструкционная прочность материалов
- •1.2.1 Общие положения
- •1.2.2 Механические свойства и способы их
- •1.3 Методы повышения конструкционной
- •1.4 Железоуглеродистые сплавы - основные
- •1.4.1 Общие положения
- •1.4.2 Углеродистые стали
- •1.4.3 Чугуны
- •2 Термическая обработка
- •2.1 Общие положения термической обработки
- •2.2 Превращения при нагревании и охлаждении стали
- •2.2.1 Образование аустенита при нагревании
- •2.2.2 Превращения аустенита при охлаждении
- •2.2.3 Превращения мартенсита при нагревании
- •2.3 Виды термической обработки
- •2.3.1 Отжиг
- •2.3.2 Закалка
- •Vкрит.- критическая скорость закалки
- •2.3.3 Отпуск
- •2.3.4 Дефекты термической обработки
- •2.4 Поверхностное упрочнение
- •2.4.1 Общие положения
- •2.4.2 Поверхностная закалка
- •2.4.2.1 Закалка с индукционным нагревом
- •2.4.2.3 Поверхностная закалка в электролитах
- •2.4.2.4 Закалка с нагревом лазерным лучом
- •2.4.3 Химико-термическая обработка (хто)
- •3 Легированные стали
- •3.1 Общие положения
- •Легированные стали можно классифицировать:
- •- По структуре в равновесном состоянии;
- •- По структуре образцов после охлаждения на воздухе;
- •- По назначению.
- •3.2 Конструкционные стали
- •3.2.1 Стали повышенной обрабатываемости
- •3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации
- •3.2.3 Среднеуглеродистые стали для улучшения
- •3.2.4 Рессорно-пружинные стали
- •3.2.5 Подшипниковые стали
- •3.2.6 Высокопрочные стали
- •3.2.7 Износостойкие стали и сплавы
- •3.3 Инструментальные стали
- •3.3.1 Общие положения
- •3.3.2 Стали для режущего инструмента
- •3.3.2.1 Углеродистые и легированные инструментальные стали
- •3.3.2.2 Быстрорежущие стали
- •3.3.3 Штамповые стали
- •3.3.4 Стали для измерительных инструментов
- •3.4 Специальные стали
- •3.4.1 Коррозионностойкие (нержавеющие) стали
- •3.4.2 Жаростойкие стали и сплавы
- •3.4.3 Жаропрочные стали и сплавы
- •3.4.4 Магнитные стали и сплавы
- •4 Цветные металлы и сплавы
- •4.1 Алюминий и сплавы на его основе
- •4.1.1 Общая характеристика алюминия
- •4.1.2 Алюминиевые сплавы
- •4.2 Магний и сплавы на его основе
- •4.2.1 Общая характеристика магния и его сплавов
- •4.2.2 Деформируемые магниевые сплавы
- •4.2.3 Литейные магниевые сплавы
- •4.3 Титан и сплавы на его основе
- •4.3.1 Общая характеристика титана и его сплавов
- •4.3.2 Промышленные титановые сплавы
- •4.4 Бериллий и сплавы на его основе
- •4.4.1 Свойства бериллия
- •4.4.2 Бериллиевые сплавы
- •4.5 Медь и ее сплавы
- •4.5.1 Общая характеристика меди и её сплавов
- •4.5.2 Латуни
- •4.5.3 Бронзы
- •5 Неметаллические конструкционные материалы
- •5.1 Пластические массы
- •5.2 Стекло
- •5.2.1 Строение и состав неорганических стекол
- •5.2.2 Ситаллы
- •5.2.3 Органическое стекло
- •5.3 Древесина
- •Список литературы
- •Курс лекций по дисциплине
- •Для студентов механических специальностей
- •Часть 2 «Материаловедение»
4.3 Титан и сплавы на его основе
4.3.1 Общая характеристика титана и его сплавов
Титан является одним из наиболее распространенных элементов и по содержанию в земной коре занимает четвертое место после железа, алюминия и магния. Температура плавления титана составляет 1668оС, а плотность – 4510 кг/м3. Титан имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная (до 882°С) модификация Tiα характеризуется гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с=0,472 нм. Высокотемпературная Tiβ имеет объемно-центрированную кубическую решетку с периодом а = 0,332 нм.
Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ1-00 (сумма примесей < 0,10%), BTl-0 (сумма примесей < 0,30%).
Технический титан хорошо обрабатывается давлением и сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Механическая обработка титана осуществляется инструментами из быстрорежущей стали и твердых сплавов при малых скоростях резания с большой подачей и глубиной резания и применением интенсивного охлаждения.
Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращения титана подразделяют на три группы: α-стабилизаторы, β-стабилизаторы и нейтральные элементы.
К α-стабилизаторам относятся А1, О, N, которые повышают температуру полиморфного α↔β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе Tiα. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые сплавы и не применяются в качестве легирующих элементов.
Введение алюминия в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости и предел прочности обычных и повышенных температурах.
Снижая температуру полиморфного превращения титана, β-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Тiβ, и, как правило, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термической обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Мn.
Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру полиморфного превращения, и их наличие не изменяет фазового состава титановых сплавов. Нейтральные элементы влияют на свойства титановых сплавов, благодаря изменению свойств α- и β-фаз, в которых они растворяются. Наибольшее практическое значение имеют олово (повышает прочность титановых сплавов при обычных и высоких температурах без заметного снижения пластичности) и цирконий (увеличивает предел ползучести).
Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей (кислорода, азота, углерода и водорода), которые при взаимодействии с ним образуют твердые растворы внедрения, а также гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. При этом повышается твердость, пределы прочности и текучести, но значительно уменьшается пластичность, ухудшаются свариваемость и штампуемость, снижается коррозионная стойкость. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными долями процента. Аналогичным образом, но в меньшей степени, влияют на его свойства железо и кремний, образующие с титаном твердые растворы замещения.
Титановые сплавы подвергают отжигу, закалке и старению, химико-термической обработке. Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа при 670…800°С с выдержкой от 15 мин до 3 ч.
Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию в среде сухого, очищенного от кислорода, азота, поскольку азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют сплавы при температуре 850…950°С в течение 10…50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06…0,2 мм, твердость – 1200 HV. Глубина слоя, обогащенного азотом α-твердого раствора, равна 0,1…0,15 мм, твердость – 500…800 HV. Для устранения хрупкого нитридного слоя и уменьшения хрупкости азотирования слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг при 800…900°С.
Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации.