Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

• α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

• θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θ_II, причем частицы θ_II располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 47б, 48 а).

а) б) в)

Рис. 47. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θ_II), б – после закалки (α – твердый раствор), в – после закалки и старения

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Процесс старения идет в 3 стадии:

На первой стадии старения атомы меди образуют скопления в кристаллической решетке α–твердого раствора - зоны Гинье-Престона (зоны ГП) (рис. 48 б), что вызывает искажения кристаллической решетки и, следовательно, повышение прочности сплава (рис. 49).

а) б) в) г)

Рис. 48. Стадии распада твердого раствора меди в алюминии при старении: а – закаленное состояние; б – образование зон ГП; в – образование θ'-фазы; г – образование θ-фазы

На второй стадии старения по мере выдержки сплава при повышенных температурах образуется метастабильная θ'-фаза, близкая по составу к CuAl₂, имеющая свою кристаллическую решетку, которая сохраняет когерентные связи с решеткой α-твердого раствора (рис. 48 в). Это усиливает искажения кристаллической решетки, твердость и прочность сплава повышается (рис. 49).

На третьей стадии старения при дальнейшей выдержке происходит срыв когерентности и выделение частиц стабильной θ–фазы (CuAl₂) (рис. 48 г). Искажения кристаллической решетки частично снимаются, и прочность сплава понижается (рис. 49).

Рис. 49. Влияние температуры и длительности старения на прочность алюминиевых сплавов

При естественном старении происходит только первая стадия старения. При искусственном старении в зависимости от температуры и продолжительности выдержки могут протекать все три стадии процесса.

Чем выше температура старения, тем быстрее проходят все его стадии, но тем ниже максимальный уровень упрочнения, что связано с укрупнением упрочняющих фаз. Наиболее высокий уровень упрочнения может быть достигнут при естественном старении.

Возврат - кратковременный (2…3 мин) нагрев естественно состаренного сплава до 230…250°С с последующим быстрым охлаждением. При этом зоны Гинье-Престона растворяются, структура и свойства возвращаются к свежезакаленному состоянию, упрочнение полностью снимается. При последующем вылеживании сплава при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП и упрочнение сплава.

Применяют дуралюмины для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих долговечности при переменных нагрузках, в строительных конструкциях. Из дуралюмина изготавливают обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов, силовые каркасы, кузова грузовых автомобилей.

Задача: Из сталей У10-У13 изготавливают мелкие метчики, напильники, пилы. Термообработка: закалка + низкий отпуск, структура: М_отп+Ц_II+А_ОСТ, твердость 62…63 HRC.

Углеродистые стали обладают малой прокаливаемостью и малой теплостойкостью (<200С). Инструмент из углеродистых сталей используют для резания относительно мягких материалов с малой скоростью, так как их твердость сильно снижается при нагреве выше 190…200С.

Билет №13

1. Литейные серые чугуны, их структура, маркировка, получение и свойства. Применение в автомобильных деталях.

Серые чугуны

Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).

В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде графита. По составу серый чугун – это тройной сплав Fe-C-Si. Кремний способствует графитизации чугуна. Графит обеспечивает чугуну хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные и демпфирующие свойства, снижает чувствительность к надрезам, но понижает прочность и пластичность. В состав серого чугуна входят 2,4…3,5%С, 1,2…3,5%Si и постоянные примеси – Mn, P и S. Марганец затрудняет графитизацию (отбеливает чугун), но повышает механические свойства, фосфор улучшает жидкотекучесть, но увеличивает хрупкость, сера – ухудшает литейные и механические свойства. Изменяя содержание углерода, кремния и скорость охлаждения отливки можно получить разную структуру серого чугуна. Она состоит из металлической основы и графитных включений.

По металлической основе серые чугуны различают на:

• перлитный,

• феррито-перлитный,

• ферритный.

По форме графитных включений различают:

• серый литейный чугун с пластинчатым графитом;

• высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы;

• ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы.

Серый литейный чугун (рис.21) получают методом литья. Основными способами графитизации являются:

• медленное охлаждение отливки (малая степень переохлаждения, ΔТ < 6°С);

• легирование кремнием;

• модифицированием твердыми частицами Al₂O₃, SiO₂ или графита.

ферритный феррито-перлитный перлитный

Рис.21. Микроструктуры серых литейных чугунов

Серый чугун плохо работает на растяжение, имеет низкую пластичность (δ<0,5%). Предел прочности на сжатие в 4…5 раз выше, чем на растяжение. Применяют его для деталей, работающих на сжатие: поршневые кольца, станины станков, опоры, блоки цилиндров, поршни, картеры и др.

Примеры маркировка серых чугунов:

- серый литейный – СЧ35: серый чугун, σ_в=350 МПа;

- высокопрочный чугун – ВЧ1200: высокопрочный чугун, σ_в=1200 МПа;

- ковкий чугун – КЧ37-12: ковкий чугун, σ_в=370 МПа, δ=12%.

1. Нанести на диаграмму изотермического превращения аустенита все методы закалки. Достоинства и недостатки каждого из них. Закалочные среды и требования к ним.

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше А_С3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше А_С1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

• доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

• эвтектоидной - М+А_ОСТ,

• заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева под закалку

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждающая среда должна обеспечивать скорость охлаждения стали выше критической в области наименьшей устойчивости аустенита. В диапазоне температур мартенситного превращения скорость охлаждения желательно замедлить, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит, и предотвратить возникновение закалочных дефектов. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и водные растворы NaCl, NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск.

1. Нержавеющие хромо-никелевые стали. Назначение легирующих элементов в данных сталях. Термическая обработка, получаемая структура. Межкристаллитная коррозия и способы ее предотвращения.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют пониженное содержание углерода (0,04…0,17%С) для предотвращения образования карбидов, содержат 17…19%Cr для защиты от коррозии и 8…12%Ni для стабилизации аустенитной структуры: 12Х18Н8, 08Х18Н10. В равновесном состоянии стали имеют структуру аустенит+карбиды хрома М₂₃С₆. Путем закалки от температуры 1100…1150С в воде или на воздухе обеспечивается растворение карбидов и получение однофазной структуры легированного аустенита.

2. Эти стали не упрочняются термообработкой, повышение прочности достигается наклепом в результате холодной пластической деформации. Хромоникелевые стали обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью в окислительных и других агрессивных средах, хорошей обрабатываемостью давлением.

3. Аустенитные хромоникелевые стали склонны к межкристаллитной коррозии (МКК) - коррозии по границам зерен. Это происходит из-за локального выделения карбидов хрома и обеднения хромом пограничных участков аустенита. Чем меньше в стали углерода, тем ниже ее склонность к МКК. Для снижения склонности к МКК в стали вводят титан или ниобий (например, 12Х18Н9Т или 08Х18Н12Б), которые связывают углерод в карбиды TiC или NbC, сохраняя весь хром в твердом растворе.

4. Аустенитные хромоникелевые стали отличаются широким масштабом применения для различных изделий, работающих в агрессивных средах, в частности, в химической и пищевой промышленности.

Задача: 25Х Г Т - Цементуемая сталь – низкоуглеродистая, легированная, содержат 0,25% С, 1%- хрох, 1% - марганец, 1%- титан.

Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: М_ОТП+Ц_II+А_ОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC. Структура сердцевины зависит от химического состава стали.

Билет № 14

1. Мартенситное превращение в стали. Механизм превращения. Свойства мартенсита. Влияние углерода и легирующих элементов на температуру Мн и Мк.

Мартенситное превращение

Мартенситное превращение протекает в интервале температур М_н-М_к (рис. 33).

Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенита со скоростью выше критической (V_КР - критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения для получения мартенсита) диффузии углерода не происходит, идет только полиморфное γ→α превращение:

Feγ(C)0,8%C→ Feα(C)0,8%C.

Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Кристаллическая решётка мартенсита - тетрагональная (Рис.34), в ней отношение периодов с/а≠1. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности (с/а).

Рис.34. Кристаллическая решетка мартенсита

Мартенсит – структура закаленной стали, обладает высокой твердостью. Это объясняется искажениями кристаллической решётки, вызванными повышенным содержанием в ней углерода, увеличением плотности дислокаций до 10¹²см^-2. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Твердость мартенсита стали с содержанием углерода 0,8% – 63…65 HRC.

Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 35).

Рис. 35. Строение мартенсита: а – схема, б – микроструктура

Основные особенности мартенситного превращения:

• превращение А→М идет по бездиффузионному механизму;

• превращение А→М идёт с увеличением объёма, что вызывает значительные остаточные напряжения;

• мартенситное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется остаточный аустенит (А_ОСТ).

Количество А_ОСТ зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали, которые влияют на положение точек начала и конца мартенситного превращения (рис. 36). При содержании углерода более 0,6% М_К опускается в область отрицательных температур. Чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже М_Н и М_К и тем больше в структуре остаточного аустенита.

Рис. 36. Влияние содержания углерода (сплошные линии) и легирующих элементов (пунктирные линии) на температуру мартенситных точек М_Н и М_К

1. Жаропрочность и ее характеристики. Явление ползучести в металлах. Пути повышения жаропрочности. Аустенитные жаропрочные стали. Их состав, структура, применяемая термообработка.

Жаропрочные стали предназначены для работы под нагрузкой при высоких температурах в течение определенного времени.

При повышенных температурах в металлах развиваются процессы ползучести – нарастание деформации при постоянно действующем напряжении, что и приводит, в конечном счете, к разрушению деталей.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться ползучести.

Основными причинами разупрочнения сталей при высоких температурах являются:

• развитие процессов рекристаллизации;

• диффузионные процессы,

• активное перемещение дислокаций,

• скольжение границ зерен.

Повышение жаропрочности достигается:

• легированием твердого раствора тугоплавкими металлами, такими как Cr, Mo, W, V, что обеспечивает повышение температуры рекристаллизации, замедление диффузионных процессов и твердорастворное упрочнение;

• образованием в твердом растворе дисперсных частиц вторичных фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов), которые выделяются из пересыщенного твердого раствора в результате закалки и старения (отпуска), частицы тормозят движение дислокаций, обеспечивая дисперсионное упрочнение;

• формированием крупнозернистой структуры, что уменьшает зернограничное скольжение. Для стабилизации границ зерен применяют легирование элементами, образующими устойчивые фазы, например, бором (до 0,01%).

Таким образом, жаропрочные стали являются, как правило, многокомпонентными высоколегированными сплавами. Они также должны обладать высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью.

Стали аустенитного класса по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Различают три группы аустенитных сталей:

• Стали со структурой твердого раствора, не упрочняемые термообработкой: 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР применяются для пароперегревателей и трубопроводов высокого давления до температур 600…700°С. Для получения однородной аустенитной структуры проводят термообработку: закалку от 1100…1150°С в воде или на воздухе.

• Стали с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС содержат повышенное содержание углерода (0,3…0,5%С) и карбидообразующих элементов. В результате закалки и старения формируется структура легированного аустенита с дисперсными карбидами. Применяют для изготовления дисков, лопаток, корпусов газовых турбин и др. с рабочими температурами до 700°С.

• Стали с интерметаллидным упрочнением 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР после закалки и старения получают структуру легированного аустенита с включениями дисперсных интерметаллидов (Ni₃Ti, Fe₃Ti и др.), когерентно связанных с решеткой γ–твердого раствора. Жаропрочность сохраняется до 750…800°С.

Сплав Д1. Описать способ упрочнения и объяснить его природу. Указать механические свойства после упрочнения и область применения сплава

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

• α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

• θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θ_II, причем частицы θ_II располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 47б, 48 а).

а) б) в)

Рис. 47. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θ_II), б – после закалки (α – твердый раствор), в – после закалки и старения

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Задача: Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: М_ОТП+Ц_II+А_ОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC. Структура сердцевины зависит от химического состава стали.

Углеродистые стали: 15, 20, 25. Структура сердцевины П+Ф

Билет № 15

1. Кристаллизация. Термодинамические условия кристаллизации. Влияние степени переохлаждения на размер зерна и ударную вязкость стали. Строение стального слитка.