Шпоры по материаловедению

40. Цементуемые конструкционные легированные стали. Цементация – насыщение поверхностного слоя стальных изделий С. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали. Цели цементации – получение после цементации, закалки и низкого отпуска тв износостойкого поверхностного слоя и вязкой сердцевины. После такой обработки твёрдость доходит до 62…64 НRC, а твёрдость сердцевины 15…30 НRC. Упрочнение после термообработки в легированных сталях тем , чем  в стали легирующих элементов. Самые простые цементуемые стали – стали 15Х (0,15% С и 1% Cr). Следующие – хромомарганцевые стали 20ХГ, 18ХГ, 30ХГ. Хромоникелевые стали: больше прочность, пластичность и вязкость сердцевины; малочувствительны к перегреву. Имеют высокую Прокаливаемость. Сюда относятся 12ХГ2Н4. Для  прокаливаемости их дополнительно легируют W или молибденом.

41. Легированные улучшаемые стали. Улучшаемые стали – стали, кот используют после закалки и высокого отжига. Эти стали содержат (0,3…0,5)% С. Их подвергают закалке с (820…880) С в масле и высокому отпуску при (550…650) С. Самые простые улучшаемые стали – хромистые стали 30Х, 40Х. Здесь мы должны иметь полную прокаливаемость  стали годятся для деталей с d<20 мм. Хромомарганцевые стали 40ХГ: прокаливаемость доходит до 40 мм. Хромомарганцевокремистые стали 30ХГСА: прокаливаемость до 40мм, хорошо свариваемые. Хромоникелевые стали имеют оч большую прокаливаемость D_{КР 95}=300 мм при закалке в масле. 30Х, 40Х, 50Х – при закалке в Н2О. Ni обеспечивает высокий запас вязкости,  порог хладноломкости. В улучшаемые стали Ni добавляют не >3%, если >3%, то в стали после закалки остаётся повышенное кол-во А_ОСТ. Используют стали 50ХН, 40ХН. Хромоникельмолибденовые стали. Есть 1 недостаток у легированных сталей – склонны к отпускной хрупкости. Чтобы избежать при отпуске отпускной хрупкости, стали легируют молибденом в количествах  (0,2…0,4)% или вольфрамом  (0,8…1,1)%. Самая распространённая сталь – 40ХН2МА. Для деталей крупного сечения используют хромоникельмолибденованадиевые стали. Ванадий добавляют для получения мелкозернистой структуры; ванадий  прокаливаемость. D_КР=1000 мм. Ванадия добавляют сотые доли %. Наиболее распространённые стали:38ХМ3НФ, 36Х2Н2МФ.

42. Инструментальные стали для режущего инструмента. Инструментальными наз-ся углеродистые и легированные стали обладающие высокой твердостью 60…65HRC, прочностью, износостойкостью, теплостойкость и прим для изготовления различных инструментов: режущие, измерительные. Обычно это эвтектоидные или легированные стали, структура кот после закалки и низкого отпуска представляет собой М и избыточные карбиды. Для инструментов требующих повышенной вязкости применяют доэвтектоидные стали, кот после закалки подвергаются отпуску при более высоких tс получением структуры троостита или сорбита. Одна из главных характеристик - теплостойкость, т.е. сохранять высокую твёрдость при нагревании или сохранять устойчивость против отпуска при нагреве в процессе работы. Делятся на 3 группы: 1) углеродистые и легированные стали, содержащие небольшое кол-во легированных элементов и не обладающих теплостойкостью до 200⁰ (У7…У13, 9ХС); 2) легированные стали, содержащие 0,6-0,7% С, 4-18% Cr, среднетеплостойкие, работают до 400-500⁰ (Х12, Х12М, 5ХНМ); 3) теплостойкие стали до 550-650⁰. Это высоколегированные стали, содержащие Cr, ванадий, вольфрам, Mn, Co.

43. Магниевые деформируемые сплавы в основном применяют в виде прутков и фасонных профилей для изготовления деталей горячей штамповкой. Для улучшения их пластичности обработку давлением проводят при t=(350…450)С, т.к.гексагональная решётка Mg затрудняет их деформацию при комнатной t. Из магниевых сплавов изготовляют кованные и штампованные детали сложной формы, такие как крыльчатки и жалюзи капота самолёта, автомобильные диски. Наиболее прочными деформируемыми сплавами явл сплавы Mg с Al (МА5) и Mg с Zn, дополнительно легированных цирконием (Ма14), кадмием и др элементами (МА15, МА19 и т.п.). Al и Zn явл эффективными упрочнителями твёрдого р-ра. Но их концентрация не должна превышать 10 и 6% соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко . Появление при старении в структуре упрочняющих фаз Mg₄Al₃ и MgZn₂ о дополнительное упрочнение. Цирконий измельчает зерно, кадмий и редкоземельные элементы одновременно  и прочность, и пластичность. Сопротивление высокопрочных магниевых сплавов после ТО составляет 350МПа. Сравнительно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада тв р-ра. Сплав МА1, содержащий 2% Mn без др компонентов хар-ся высокой пластичностью и применяется как листовой материал. Самыми лёгкими конструкционными материалами явл сплавы Mg с Li (МА18, МА21).  сплава МА18 составляет (1,3…1,65)г/см³.Магниеволитиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением в холодном состоянии. Эти сплавы хорошо свариваются и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

44. Магниевые литейные сплавы по хим и фазовому составу близки к деформируемым. По сравнению с деформируемыми литые детали позволяют существенно экономит М. Высокая точность размеров и хорошее кач-во поверхности позволяют практически исключить операции механич обработки. Недостатком литейных магниевых сплавов явл более низкие механич св-ва из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости, связанной со сравнительно широким интервалом кристаллизации. Для  прочности и модифицирования вводят кальций и цирконий. Дополнительное легирование кадмием  уровень механич и технич св-в. Наиболее распространённым магниевым литейным сплавом явл МЛ5, характеризующийся хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к пористости и хорошей обрабатываемостью резанием. Отливки из этого сплава получают литьём в землю, в металлич формы и под давлением. Он идёт на изготовление крупногабаритных отливок картеров двигателей, корпусов приборов, насосов, коробок передач для а/м и самолётов. Для  массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12…13% Li. Их жидкотекучесть находится на уровне сплава МЛ5. Сплавы Mg-Li не имеют склонности к образованию горячих трещин. Плотность сплава =1,42г/см³, механич св-ва в литом состоянии при комнатной t: _В=160МПа, =8%. При плавке и рафинировании м защищается от атмосферы специальным флюсом, состоящим из LiCl и LiF.

45. Бериллиевые сплавы. Главная сложность при легировании Ве состоит в малых размерах его атомов, в рез-те чего большинство элементов при растворении сильно искажают крист решётку, сообщая сплаву повышенную хрупкость. Легирование возможно тлк теми элементами, кот образуют с Ве механич смеси с min взаимной растворимостью. Гл недостаток Ве, заключающийся в ударной вязкости и хладноломкости, может быть преодолён использованием сплавов с Al. В таких сплавах эвтектического типа тв частицы Ве равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Сплавы содержат 24…43% Al, остальное – Ве. Сплавы Ве-Al имеют структуру, состоящей из мягкой пластичной эвтектики и твёрдых хрупких включений первичного Ве. Эти сплавы сочетают высокую жёсткость, прочность и малую плотность, характерные для Ве, с пластичностью Al.Благодаря пластичности матрицы  концентрация напряжений на у частиц бериллиевой фазы и  опасность образования трещин, что позволяет использовать сплавы в условиях более сложного напряжённого состояния. Для получения Be-Al сплавов используют методы порошковой металлургии. Деформацию о выдавливанием с последующей ковкой и штамповкой в оболочках. Для  прочности сплавы Be-Al дополнительно легируют Mg или Ag – элементами, растворимыми в алюминиевой фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al-Mg или Al-Ag. Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be-Ag, содержащую до 60% Ag. Max пластичность имеет Ве высокой чистоты. Широкое распространение получили сплавы Сu с 2…5% Ве – бериллиевые бронзы. В РФ широко применяется бериллиевая бронза БрБ2 с 2% Ве. Из диаграммы состояния Рис 22.5 стр 488!!! видно, что этот сплав дисперсионно-твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением. Закалка с 800С фиксирует пересыщенный -твёрдый р-р, из кот при старении (300…350)С выделяются дисперсные частицы CuВе, образующие регулярную, так называемую квазипериодическую структуру. После закалки св-ва бериллиевой бронзы БрБ2: _В=500МПа, =30%, после старения _В=1200МПа, =4%. Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими св-ми. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широких интервалах t. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии. Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – в шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

46. Алюминий и его сплавы. Al и его сплавы – первые конструкционные М, кот были использованы в самолётостроении. Сплавы Al применяют в строительных конструкциях, судостроении, ж/д и автотранспорте, летательных аппаратах, нефтяном и химическом машиностроении, электротехнике и т.д. Из сплавов Al изготавливают детали холодильного и криогенного оборудования, в т.ч. используемого в космосе. В 1886г Холл и Эру разработали современный способ производства Al электролизом криолитно-глинозёмного расплава. После этого производство стало , а цена его начала резко . Al кристаллизуется в КЦК решётке, не имеет полиморфных превращений, обладает малой плотностью, низкой t_ПЛ=660С, высокой тепло- и электропроводностью, низкой прочностью, высокой пластичностью. Хорошая коррозионная стойкость Аl обусловлена образованием на его поверхности тонкой, но плотной плёнки оксида Al₂O₃, предохраняющей М от дальнейшего окисления. Удельный объём оксида и М близки м/у собой  оксидная плёнка обладает хорошим сцеплением с М и малопроницаема для всех газов. Благодаря защитному действию плёнки Al имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере и в среде многих органических кислот. В едких щелочах Al быстро растворяется. Чем  примесей содержит Al, тем  его коррозионная стойкость. Al хорошо деформируется и сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Из него прокаткой можно получать тонкую фольгу, применяемую в качестве оберточного материала.

Из-за низкой прочности технический алюминий применяется для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широкое применение в качестве конструкционных материалов имеют сплавы на основе Al. Все алюминиевые сплавы можно разделить на 3 группы: а) деформируемые, предназначенные для получения поковок, штамповок, проката, труб; 2) литейные сплавы; 3) сплавы, получаемые методом порошковой металлургии. Основными легирующими элементами в деформируемых алюминиевых сплавах явл Cu, Zn, Mg, Mn. Const примесями в Al явл Fe и Si. Обе примеси практически нерастворимы в Al. При одновременном их присутствии появл новая фаза тройного химического соединения Al-Fe-Si. Это соединение выделяется по границам зёрен и снижает пластичность Аl. Предельное содержание примесей Fe и Si в деформируемых алюминиевых сплавах должно составлять не <0,5%. Алюминиевые сплавы маркируются буквами или условными №. Часто за условным № дают обозначения, характеризующие состояние сплава: М – мягкий, Т – термически обработанный, Н – нагартованный. Алюминиевые сплавы по технологическим свойствам подразделяются на деформируемые и литейный сплавы. Деформируемые сплавы бывают двух типов: не упрочняемые термической обработкой (содержание легирующих элементов < предела насыщения твёрдого раствора при комнатной t) и упрочняемые термической обработкой (содержание легирующих элементов > их равновесной концентрации).

47. Алюминиевые деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, имеют сравнительно низкую прочность, но более высокую пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют в отожжённом состоянии или упрочняют с помощью холодной пластической деформации. К таким сплавам относятся сплавы типа АМц (система Al-Mn) и типа АМг (система Al-Mg). Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением и свариваются. Из них изготавливают изделия, получаемые глубокой вытяжкой из листового материала. Благодаря меньшей  и достаточной прочности чаще всего применяют Al-Mg сплавы.

48. Дуралюмины – наиболее распространённые деформируемые алюминиевые сплавы. Они содержат: (2,5…5)% Cu, (0,4…1,8)% Mg, (0,4…0,9)% Mn. Cu и Mg вводят в сплав для его упрочнения, Mn усиливает упрочняющий эффект и  его коррозионную стойкость. Наибольшее упрочнение достигается после старения. Дуралюмин, по составу  соответствующий современному сплаву Д1, был изобретён Вильмом. В дуралюминах системы Al-Cu-Mg могут образовываться или двойные соединения CuAl₂ и Al₃Mg₂, или тройные Al₂MgCu (S-фаза) и Al₆CuMg₆ (фаза Т). С  содержания Cu в сплавах  количество -фазы, оказывающей основное упрочняющее действие (дуралюмин Д1).  содержания Mg приводит к  кол-ва фазы S и дополнительному  прочности (дуралюмин Д16). Достоинства дуралюминов: высокая удельная прочность, благодаря чему они относятся к числу широко применяемых материалов в самолетостроении, для изготовления лопастей воздушных винтов, тяг управления и др. Дуралюмины используют во многих отраслях техники. Их применяют для кузовов грузовых а/м, для строительных конструкций, в пищевой и холодильной промышленности для изготовления ёмкостей, тестомесильных аппаратов, сепараторов, трубопроводов и т.д. Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость. Для её  листы дуралюмина плакируют, т.е. покрывают слоем чистого Al и производят совместную прокатку листов. Al, толщина кот составляет (2…5)%, сваривается с основным М и защищает его от коррозии. Для  коррозионной стойкости деталей из дуралюмина их подвергают анодной поляризации в 10%-м р-ре Н₂SO₄. Выделяющийся О₂ способствует образованию на поверхности дюралюминиевой детали оксидной плёнки, предохраняющей её от окисления.

49. Алюминиевые ковочные и высокопрочные сплавы. Высокопрочные алюминиевые сплавы марок Д16 (Al-Cu-Mg) и В95 (Al-Zn-Mg-Cu) используются в авиастроении. Повышению их трещиностойкости способствовало  предельного содержания вредных примесей Fe и Si от 0,5 до 0,15 и 0,1% соответственно. Долговечность (количество циклов до разрушения)  от 100 до 165 циклов, а  роста трещины  с 6 до 2,5 мм/кцикл. Дальнейшее  чистоты сплавов представляет сложности как по техническим, так и по экономическим соображениям. Дальнейшее  ресурса высокопрочных алюминиевых сплавов может быть достигнуто совместным легированием малыми добавками скандия и циркония.

50. Алюминиевые литейные сплавы. Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости. Для обеспечения высокого уровня литейных свойств необходим min эффективный интервал кристаллизации. Наиболее высокие литейные св-ва имеют сплавы с эвтектической структурой. Наиболее распространёнными литейными сплавами явл сплавы Al с высоким содержанием Si (>5%), называемые силуминами. На рис 23.6 стр 504!!! Показана левая часть диаграммы состояния Al – Si. Силумины имеют состав, близкий к эвтектическому  обл высокими литейными свойствами. Широкое распространение получил силумин марки АК12 (АЛ2),, содержащий (10…13)% Si, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Его структура состоит из -твёрдого р-ра и эвтектики +Si. Прочность силумина невысока. При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют доэвтектические силумины с (4…10)% Si и добавками небольших количеств Zn, Cu, Mg, Mn. С целью получения беспористых высококачественных отливок на заводах авиационной металлургии используют метод кристаллизации под давлением. Кроме силуминов применяют литейные сплавы, легированные Cu и Mg. Они имеют худшие литейные св-ва, но более высокие механический хар-ки, в том числе при t. Эти сплавы могут подвергаться ТО. Для измельчения зерна и улучшения механич св-в литейные алюминиевые сплавы подвергают модифицированию. В качестве модификаторов применяют смеси солей NaF и NaCl в количестве 2…3% от массы сплава. После модифицирования прочность силуминов  на 25%, а относительное удлинение – в 2 раза.

51. Технический Ti. Свойства и применение. Классификация. Ti-ые сплавы. Ti – серебристо белый М; удельный вес 4500 кг/м³; t_ПЛ=1668 С. Ti свойственен t-ый полиморфизм: до 880С – ГПУ решётка, выше 880С – ОЦК решётка. Механич св-ва Ti существенно зависят от чистоты М от примесей. Различают примеси внедрения – О₂, N₂, Н₂ и примеси замещения, к кот относятся Fe и кремний. Примеси  прочность, но одновременно резко  пластичность, причём наиболее сильное «-» влияние оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего 0,03% Н, 0,2% N или 0,7% О Тi полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. При  t от комнатной до криогенных прочностные св-ва  при сохранении высокого уровня пластичности. Чистый Ti с малым содержанием Н₂ (<0,002%) не обл хладноломкостью при прочности _В=1300МПа и сохраняет высокую пластичность. По удельной прочности в интервале t=(300…600)С сплавы Тi не имеют себе равных; при t<300C они уступают алюминиевым сплавам, а при t>600С – сплавам на основе Ni и Fe. Ti имеет низкий модуль нормальной упругости (Е=112ГПа), что затрудняет изготовление жёстких конструкций. Для  жёсткости приходится  толщину деталей и их массу. Ti относится к числу химически активных М, но обл высокой коррозионной стойкостью, т.к. на его поверхности образуется защитная пленка TiO₂, прочно связанная с основным М и исключающая непосредственный контакт с электролитом. Оксидная плёнка на Ti возникает при окислении на воздухе, анодном окислении и самопассивации. Толщина оксидной Аленки после длительного пребывания на воздухе  5-6мм. Благодаря оксидной плёнке Ti и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской Н₂О, устойчивы против коррозии. Особенности производства изделий из Ti: Из-за высокой хим активности расплавленного Ti его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. Сплавы Ti имеют меньшую жаропрочность, чем специальные стали. Рабочая t их использования не > (500…550)С. При  t Ti и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают газы. Кроме газов вредной примесью для Ti явл С, образующий карбиды. Основной елью легирования титановых сплавов явл  жаропрочности, прочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы Ti с Al, Cr, V, Mn, оловом и др элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения Ti. Сплавы Ti классифицируют по нескольким признакам: 1) по хим составу: технический Ti и сплавы на основе Ti; 2) по структуре: Ti-сплавы; псевдо Ti-сплавы; (+)Ti-сплавы; псевдо (+)Ti-сплавы и псевдо Ti-сплавы; 3) по технологии изготовления: деформируемые и литейные; 4) по способности упрочняться с помощью термической обработки: упрочняемые и неупрочняемые. Технический Ti. В зависимости от содержания примесей различают 2 марки технического Ti: ВТ1-00 (примесей<0,398%) и ВТ1-0 (<0,55%). Механич св-ва технического Ti сильно зависят от содержания примесей, особенно от Н₂, О₂, N₂ и С. Они образуют сTi тв р-ры внедрения и промежуточные фазы (гидриды оксидов, нитриды, карбиды). Небольшие кол-ва С, О₂ и N₂  твёрдость, lim прочности, lim текучести, но это приводит к резкому  пластичности, коррозионной стойкости и ухудшению свариваемости  содержание этих элементов ограничивается сотыми и тысячными долями %. Самая вредная примесь в Ti – Н₂. Присутствие даже в незначительных количествах Н₂ выделяется по границам зёрен в виде тонких хрупких пластин гидридов  происходит охрупчивание, теряется надёжность. Обычно в техническом Ti допустимое содержание Н₂ (0,008…0,012)%. Технический Ti хорошо обрабатывается давлением, хорошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой, но Ti плохо обрабатывается резанием. Изготавливают п/ф в виде листов, труб, проволоки, паковок. Деформируемые титановые сплавы: все титановые сплавы по сравнению с техническим Ti имеют высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость как при комнатных t, так и при более высоких.

52. Псевдо Ti-сплавы имеют преимущественно  структуру и, вследствие дополнительного легирования -стабилизаторами (Mn, V, Nb, Mo), - от 1 до 5% -фазы. Благодаря наличию -фазы они обладают хорошей технологической пластичностью при сохранении достоинств -сплавов. Сплавы с низким содержанием Al (2-3%) обрабатываются давлением в холодном состоянии и тлк при изготовлении деталей сложной формы подогреваются до 500-700С (ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с большим содержанием Al при обработке давлением требуют подогрева до 600-800С. На жаропрочность сплавов кроме Al благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий способствует  растворимости -стабилизаторов в -фазе и  t рекристаллизации. Кремний  жаропрочность вследствие образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в -фазе. Поэтому псевдо Ti-сплавы с повышенным содержанием Al (7-8%), легированные Zn, V, Mo, Nb, Si, используются в изделиях, работающих при наиболее высоких t. Недостаток: склонность к водородной хрупкости. Н₂ мало растворим в -фазе и присутствует в структуре в виде гидридной фазы, снижающей пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов. Допустимое содержание Н₂ – в пределах 0,01-0,005%.

53. Ti-сплавы. Сюда относятся сплавы, кот кроме Ti содержат (4…6)% Al. Это марка ВТ5. Это сплав нормальной прочности; В=(700…950)МПа, =(10…15)%. Этот сплав не упрочняется термической обработкой, у них высокая термическая стабильность св-в, т.е. механич св-ва в широком интервале t меняются оч мало. Детали из этого сплава могут длительно работать в интервале (-250…+500) С. Ti-сплавы хар-ся невысокой прочностью при комнатной t и не упрочняется при термообработке. Сплавы с цирконием наиболее технологичны, но это самые дорогие из Ti-сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Из сплава ПТ7М изготавливают горяче- и холоднокатаные трубы. Сплавы поставляют в виде прутков сортового проката, поковок, труб, проволоки. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в широком интервале t: от криогенных до 500С. Недостаток: низкая технологическая пластичность. Достоинство: высокая термическая стабильность свойств, хорошая свариваемость и высокие механич св-ва при криогенных t; обрабатываемость резанием удовлетворительная.

54. (+)Ti-сплавы. (+)Ti-сплавы: наиболее распространённый сплав в этой группе – сплав марки ВТ6. он содержит (5…7)% Al и -стабилизатор ванадий (3,5…5,5)%. Сплав ВТ6 упрочняется при термической обработке; после термич обработки имеет прочность 1200 МПа, высокую термическую стабильность св-в  применяют для изготовления деталей, длительно работающих при (450…500) С. (+)Ti-сплавы характеризуются наилучшим сочетанием механич и технологич св-в. По структуре после закалки различают мартенситный и переходный классы (+)Ti-сплавов. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат не более 25% -фазы.  кол-ва -фазы в сплавах переходного класса до 50% обеспечивает им самую высокую прочность этой группы сплавов.