Материаловедение_лабы

из α+β(ω)-фаз. При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных α′-, α′′-фаз и метастабильной β-фазы с выделением дисперсных α- и β-фаз. В процессе старения закалённых сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α′- и остаточной β-фаз. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием ω-фазы, применяют повышенную температуру старения (450…550°С).

Для определения эффекта упрочнения используют коэффициент стабильности (Кβ стаб), показывающий отношение количества

β-легирующих элементов в сплаве к их количеству в сплаве критического состава (Ск) (табл. 12.2).

Для сплавов, содержащих несколько легирующих элементов, коэффициент стабильности Кβ стаб находят с учетом содержания

(С) каждого β-стабилизирующего элемента и его Ск в двойном сплаве с титаном:

Сплавы критического состава имеют Кβ стаб = 1, α-сплавы и псевдо-α-сплавы – Кβ стаб ≤ 0,25, сплавы мартенситного класса –

Кβ стаб = 0,3…0,9, переходного класса – Кβ стаб = 1,0…1,4.

12.3.Порядок выполнения работы

1.Получить образцы сплавов ВТ5, ВТ14, ВТЗ-1, подвергну-

щих элементов в сплавах являются β-стабилизаторами, записать их концентрацию в табл. 12.3.

100

Т а б л и ц а 12.3

3.Подсчитать по формуле коэффициент Кβ стаб и, пользуясь им, определить, к какой группе относятся изучаемые сплавы.

4.Замерить твердость на образцах изучаемых сплавов. Результаты записать в табл. 12.3.

5.Определить значение временного сопротивления, σ0,2 и δ титановых сплавов по диаграмме растяжения. Результаты занести

втабл. 12.3.

6.Изучить микроструктуру титановых сплавов.

7.Составить заключение по работе.

12.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Химический состав изучаемых титановых сплавов.

3.Виды и режимы термической обработки изучаемых титановые сплавов.

4.Результаты работы, включающие таблицы результатов определения твердости всех исследуемых сплавов, предела прочно-

сти, σ0,2, δ, Кβ стаб .

5. Выводы по работе.

12.5.Вопросы для самопроверки

1.Титановые сплавы каких структурных классов могут быть упрочнены термической обработкой?

2.Какие виды упрочняющей термической обработки возможны для титановых сплавов?

101

3.От чего зависит эффект упрочнения титановых сплавов после термической обработки?

4.Какова структура титановых сплавов после закалки, после закалки и старения?

5.Область применения титановых сплавов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВПРИБОРОСТРОЕНИИ

13.1.Цель работы

1.Изучить состав, маркировку и структуру сплавов на основе Al, Mg, Ti, и Cu.

2.Ознакомиться со способами упрочнения этих сплавов.

3.Изучить влияние технологии получения и обработки на механические свойства сплавов.

13.2.Теоретическое обоснование работы

Алюминий и сплавы на его основе. Алюминий не имеет полиморфных превращений, кристаллическая решетка – ГЦК. Алюминиевые сплавы применяются практически во всех областях машиностроения: авиации, космонавтике, электротехнике, приборостроении. Они подразделяются на три группы: деформируемые, литейные и получаемые по технологии порошковой металлургии – спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС).

К числу деформируемых сплавов, упрочняемых термической обработкой (закалка, без протекания полиморфных превращений и старение), относятся дуралюмины – сплавы системы Al, Cu, Mg, Mn. Так как они не обладают коррозионной стойкостью, их защищают от коррозии оксидированием или плакированием. Режимы термической обработки, процессы, протекающие в материале во время ее проведения, и механические свойства сплавов изложены в теоретическом обосновании к л.р. №11. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, имеют невысокую прочность, но высокие пластичность и коррозионную

102

стойкость, их упрочняют холодной пластической деформацией. К таким сплавам относятся сплавы систем Al–Mn (AMц) и Al–Mg (AMг2–АМг6). Изменение свойств сплава AMг2 под действием холодной пластической деформации рассмотрено в л.р. №5.

Литейные алюминиевые сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами (жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости). Наиболее высокие литейные свойства имеют сплавы с эвтектической структурой, т.е. с минимальным интервалом кристаллизации. К числу таких сплавов относится сплав системы Al–Si (силумин) марки АК12, содержащий 10…13% Si (Si обозначается буквой К), обладающий высокой коррозионной стойкостью, но низкой прочностью. Он не упрочняется термической обработкой.

Более высокую прочность имеют доэвтектические силумины (сплав АК7), упрочняемый закалкой и старением при 150ºС. Ма р- кируются литейные сплавы следующим образом: А обозначает, что это сплав на основе алюминия, следующая буква – легирующий элемент (К – кремний, М – медь), цифры – его количество.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) чаще применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением нельзя получить требуемый сплав. Сплав САС 1 (25…30% Si, 5…7% Ni, и остальное – Al) применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20…200ºС, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. Составы и свойства ряда сплавов на основе цветных ме-

таллов приведены в приложении 9.

Титан и сплавы на его основе. Титан имеет две модифика-

ции: α -титан, с гексагональной плотноупакованной решеткой, и высокотемпературную модификациюβ -титан с решеткой ОЦК. Полиморфное превращение протекает при 882ºС.

Алюминий относится к числу основных упрочняющих легирующих элементов, он повышает температуру полиморфного α ↔ β-превращения, стабилизируяα -фазу. Большинство легирующих элементов (Mo, V, Mn, Cr и др.) понижают температуру полиморфного α ↔ β-превращения, стабилизируяβ -фазу. По структуре титановые сплавы делятся на α, α + β- , β-сплавы. α + β-сплавы упрочняются термической обработкой. Режимы термической обработки, процессы, протекающие в материале во вре-

103

мя ее проведения, и механические свойства сплавов изложены в теоретическом обосновании к л.р. №12. Сплавыαс -структурой характеризуются хорошей свариваемостью, но недостаточной прочностью и технологической пластичностью. Псевдо-α-сплавы (β-фазы до 5%) сохраняют достоинстваα-сплавов, но имеют и хорошую технологическую пластичность. В сплавах с α + β-струк- турой наилучшим образом сочетаются механические и технологические свойства. Титановые сплавы отличаются хорошей коррозионной стойкостью и высокой удельной прочностью. Литые титановые сплавы по составу близки к деформируемым, в конце марки ставится буква Л (например, ВТ14Л), их характеризуют хорошие литейные и механические свойства.

Сплавы на основе магния. Магний не имеет полиморфных превращений, кристаллическая решетка гексагональная плотноупакованная. Сплавы магния имеют низкую плотность, высокую удельную прочность и жесткость, способны хорошо поглощать вибрацию. Достоинствами магниевых сплавов являются их хорошая обрабатываемость резанием (в том числе легко шлифуются и полируются) и свариваемость (удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой, которую рекомендуется проводить в защитной атмосфере). Недостатки – низкая коррозионная стойкость, трудности при выплавке и литье, необходимость нагрева при обработке давлением. Легирующие элементы вводятся в магний для повышения прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Магниевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы маркируются буквами МА, литейные – МЛ, далее следует номер сплава. Сплавы упрочняются термической обработкой: закалкой и старением. Закалка производится с охлаждением на воздухе вследствие низкой скорости протекания диффузионных процессов. По этой же причине используется только искусственное старение при температурах до 200ºС в течение 16…24 ч. Прочностные характеристики деформируемых магниевых сплавов значительно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением. Наиболее прочными являются сплав магния с алюминием и цинком (МА5) и сплав магния с цинком, дополнительно легированный цирконием (МА14), кадмием, РЗМ и другими элементами (МА15, МА19 и др.). Самые легкие – сплавы магния с литием (МА18, МА21), их плотность составляет 1,3…1,65 г/cм3.

104

Литейные магниевые сплавы по химическому и фазовому составу близки к деформируемым. При использовании специальных технологических процессов литья получают готовые литые детали, при этом практически не требуется механическая обработка. Недостаток литейных сплавов – более низкие механические свойства из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости. Наиболее распространен сплав МЛ5, имеющий хорошую жидкотекучесть и малую склонность к пористости. Сплав упрочняется термической обработкой.

Сплавы на основе меди. Медь не имеет полиморфных превращений, кристаллическая решетка – ГЦК. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами. Значительная часть меди используется в электро- и радиотехнике. Медь имеет высокие механические свойства при низких температурах. Сплавы на её основе устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами. По технологическим характеристикам сплавы делятся на деформируемые и литейные, а по химическому составу – на латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является цинк, а бронзами – сплавы меди с другими элементами. Латуни маркируются буквой Л, бронзы Бр, после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав: С – свинец, О – олово, Ж – железо, А – алюминий, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель. Цифры после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в процентах. В деформируемых латунях не ставится среднее содержание цинка, а в бронзах – меди, их концентрация определяется по разности до 100%. Например, ЛАЖ 60-1-1, латунь, содержащая, %: 60 – Cu, 1 – Al, 1 – Fe, остальное – Zn, или БрОФ6,5-0,15 – бронза:

6,5 – Sn, 0,15 – P, остальное – медь. Порядок цифр в обозначениях деформируемых и литейных сплавах различен. В марках деформируемых латуней и бронз цифры, отделенные друг от друга дефисом, ставятся в конце обозначения и расположены в той же последовательности, что и буквы.

В марках литейных латуней указывают содержание не меди, а цинка, причем содержание легирующих элементов указывают не в конце марки, а после буквы, обозначающей данный элемент. Примеры обозначения литейных латуней: ЛЦ16К4 – 16%Zn, 4%Si,

105

остальное – медь; БрО5Ц5С5 – литейная бронза, содержащая

5%Sn, 5%Zn, 5%Pb, остальное – медь.

Латуни бывают однофазными (α) и двухфазными (α + β). Латуни, содержащие меньше 10% Zn, называются томпаками. Однофазные (α-латуни, содержащие < 20% Zn) характеризуется высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, отсутствием склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением. Прочность (α + β)-латуней может быть увеличена до 450 МПа в отожженном состоянии за счет введения легирующих элементов (алюминия, железа, никеля, марганца, олова и др., свинец вводится для улучшения обрабатываемости резанием). Дополнительное упрочнение достигается за счет холодной пластической деформации с последующим низкотемпературным отжигом.

Из малолегированных латуней изготавливают изделия методами холодной пластической деформации: радиаторные трубки, сильфоны и др. Латуни применяются для изготовления упругих элементов, которые должны обладать коррозионной стойкостью и быть немагнитными (например, латуни Л70, Л80, Л85 используются после холодной пластической деформации с последующим низкотемпературным отжигом при 200…250ºС). Высокая коррозионная стойкость в пресной и морской воде оловянистых латуней (ЛО 70-1, ЛО 62-1) обусловила их применение для деталей водяной арматуры: трубки, детали насосов, в морском приборостроении.

Деформируемые оловянистые бронзы содержат 3…7% Sn, 5% Zn, 3…4% Pb, до 0,4P (Бр ОФ6,5-0,25; БрОФ 4-0,25; БрОЦ4-3)

иприменяются для упругих элементов в тех же случаях, что и латуни; упрочнение достигается за счет холодной пластической деформации с последующим низкотемпературным отжигом при 250…300ºС. Эти бронзы разупрочняются в меньшей степени при нагружении выше предела упругости, чем латуни, поэтому их используют для изготовления высокостабильных пружин, работающих при 60…100ºС. Бронзы значительно чаще, чем латуни , используются как сплавы для отливок, так как имеют хорошие литейные свойства.

Бериллиевые бронзы (Бр Б2; Бр Б2,5) занимает особое место как материал для упругих элементов. Бронза упрочняется закалкой

истарением при температуре 320ºС в течение 2 ч. После старения ее прочность значительно возрастает. Упругие свойства бронз

106

можно повысить холодной пластической деформацией после за-

калки и с последующим старением. После такой обработкиσ 0,005 достигает 1100 МПа. Предельная рабочая температура упругих

элементов из бериллиевых бронз ~ 200ºС. Релаксационная стойкость бериллиевых бронз существенно выше, чем у других бронз и латуней. Они обладают хорошим сочетанием механических, физи- ко-химических, антикоррозионных свойств, являются немагнитными, работают в интервале температур + 200… - 200ºС. Их широкое применение ограничено высокой стоимостью бериллия.

13.3.Порядок выполнения работы

1.Получить у лаборанта образцы из дуралюмина и титановых сплавов.

2.Замерить твердость всех образцов в отожженном состоянии, после закалки и старения на приборе Роквелла по шкале НRВ (дуралюмин) и твердость по Бринеллю (титановые сплавы).

3.Результаты замеров твердости внести в табл. 13.1.

4.Ознакомиться с микроструктурой сплавов на основе цветных металлов.

Та б л и ц а 13.1

К – удельная прочность

107

13.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Таблица с механическими и физико-химическими свойствами сплавов на основе алюминия и титана.

3.Анализ влияния состава и технологии обработки на упругие свойства сплавов.

4.Анализ влияния состава и технологии обработки на коррозионную стойкость сплавов.

5.Выписка из приложения 9 механических и физико-хими- ческих свойств сплавов по указанию преподавателя.

6.Выводы по работе.

13.5.Вопросы для самопроверки

1.Из каких операций складывается термическая обработка стареющих сплавов?

2.Как выбирается температура закалки стареющих сплавов и какая структура получается после закалки?

3. Какие изменения происходят в структуре закаленного сплава в процессе старения и как это отражается на его свойствах?

4.Какие причины вызывают упрочнение и разупрочнение сплава в процессе старения?

5.Чем определяется коррозионная стойкость сплавов на основе титана, алюминия и меди?

6.Какие сплавы на основе цветных металлов и после какой обработки могут быть использованы для изготовления упругих элементов?

7.В каких отраслях промышленности применяются сплавы с высокой удельной прочностью?

108

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ (АТАО) НА СТРУКТУРУ

ИСВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА

14.1.Цель работы

1.Ознакомиться с методикой аэротермоакустической обра-

ботки.

2.Изучить методы выявления границ зерна и определения его величины, в том числе с применением компьютерных технологий.

3.Изучить воздействие АТАО на структуру и механические свойства технического железа.

14.2. Теоретическое обоснование работы

Развитие техники обусловливает повышенные требования к характеристикам металлов и сплавов. Для достижения более высоких эксплуатационных свойств применяются как хорошо известные методы, так и вновь создаваемые, как правило, использующие комбинированные средства воздействия. Современная теория связывает свойства металла с его структурой. При этом формирование структуры обусловлено изменениями термодинамического состояния системы, происходящими под воздействием как внешних факторов (тепловые потоки, пластическая деформация, физические поля и т.д.), так и внутренних, наведенных внешним воздействием и стремящихся вернуть систему в равновесное состояние (при этом в материале протекают процессы самоорганизации). Пороговые значения этих факторов зависят от текущего состояния и определяют кинетические особенности процессов структурообразования металлов.

Создание новых наукоемких технологий невозможно без привлечения результатов современных исследований газодинамики струйных течений, аэроакустики, термодинамики, физики твердого тела.

Перспективным направлением является возможность управлять характеристиками металлов и сплавов (твердостью, износостойкостью, пластичностью, хладостойкостью, коррозионной

109