Длительная прочность

Сопротивление стали разрушению при длительном воздействии температуры характеризуется длительной прочностью.

Длительная прочность — это условное напряжение, под действием которого сталь при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени

Характеристика химического состава

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются температурой плавления основного компонента сплава, затем его легированием и режимами предшествующей термообработки, определяющими структурное состояние сплава. Основой жаропрочных сталей являются твёрдые растворы или пересыщенныё раствор, способные к дополнительному упрочнению вследствие дисперсионного твердения.

Для кратковременной службы применяются сплавы с высокодисперсным распределением второй фазы, а для длительной службы — структурно-стабильные сплавы. Для длительной службы выбирается сплав несклонный кдисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет на жаростойкость и жаропрочность.

Высоколегированные жаропрочные стали из-за различных систем легирования относятся к различным классам:

• ферритные (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5),

• мартенситные (20Х13, 30Х13),

• мартенситно-ферритные (15Х12ВН14Ф),

• аустенитные (37Х12Н8Г8МФБ).

Внутри каждого класса различаются стали с различным типом упрочнения:

карбидным,

интерметаллидным,

смешанным (карбидно-интерметаллидным).

Для котельных установок, работающих длительное время (10000-100000 часов) при температурах 500—580 °C, рекомендуются стали перлитного класса, введение молибдена в которые повышет температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает его жаропрочность.

Однако бо́льшую часть жаропрочных сталей. работающих при повышенных температурах, составляют аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Этои стали подразделены на три группы:

• гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью

твёрдого раствора;

• стали с карбидным упрочнением;

• стали с интерметаллидным упрочнением.

Сплав 12Х25Н16Г7АР (ЭИ835)

Тип: Хромоникелевые стали аустенитного класса Возможность изготовления: Есть ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ ЗАДАТЬ ВОПРОС

Применение сплава 12Х25Н16Г7АР

    Сплав 12Х25Н16Г7АР применяется в турбостроении для изготовления деталей газопроводных систем, камер сгорания, диафрагм, листовых деталей для эксплуатации при температурах до 1050 °С.      Сталь выплавляют в открытых электропечах или с применением электрошлакового переплава.

Химический состав сплава 12Х25Н16Г7АР

B	C	Cr	Fe	Mn	N	Ni	P	S	Si
≤0,01	≤0,12	23-26	Осн.	5,0-7,0	0,3-0,45	15-18	≤0,035	≤0,02	≤1

Коррозионная стойкость сплава 12Х25Н16Г7АР

Жаростойкость. Скорость окисления в атмосфере спокойного воздуха

tисп, °С	900	1000	1100	1200
νок, мм/год	0,3	0,9	1,2	1,5

Технологические параметры 12Х25Н16Г7АР

    Температура начала ковки 1160 °С, конца 900 °С. Рекомендуемый режим термической обработки: закалка с 1050-1200 °С на воздухе.

Сварка сплава 12Х25Н16Г7АР

    Сталь удовлетворительно сваривается всеми видами сварки. 

47

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун — важнейший первичный продуктчёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Чугун в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Чугун лишь немногим уступаютуглеродистой стали; см. Модифицированный чугун). В современном машиностроении на долю деталей из Чугун приходится около 75% от общей массы отливок. По выпуску чугунного литья СССР занимает 1-е место в мире (1976).   Историческая справка. Первые сведения о Чугун относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали Чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4—5 вв. до нашей эры. Производство Чугун в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Чугун из руд (см.Металлургия). Полученный Чугун использовали или для передела в сталь в кричном горне (см. Кричный передел), или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производствоЧугун началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Чугун превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол. 18 в. вагранокпозволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого Чугун Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна (см. Легированный чугун), что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования Чугун В конце 40-х гг. был получен модифицированный Чугун с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более высокую прочность металла (s_ь до 500 Мн/м², или 50 кгс/мм², в литом состоянии и 1200 Мн/м², или 120 кгс/мм² после термической обработки; такой Чугун получил название высокопрочного). В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Чугун с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита (см. Железоуглеродистые сплавы).   Классификация и свойства чугуна. Чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.   До 70-х гг. 20 в. в доменных печах иногда выплавляли т. н. зеркальный Чугун (10—25% Mn), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов Чугун При использовании для выплавкиЧугун железных руд, содержащих Сг, Ni, Ti и др. легирующие элементы, получают т. н. природнолегированные Чугун При производстве отливок в чугунолитейных цехах Чугун подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, — на серый, белый и половинчатый (или отбелённый); в зависимости от формы включений графита — на Чугун с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный Чугун), вермикулярным и хлопьевидным (ковкийЧугун) графитом; в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения — на конструкционный и Чугун со специальными свойствами; по химическому составу — на легированные и нелегированные.   Серый Чугун — наиболее широко применяемый вид Чугун (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Чугун характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серогоЧугун — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства Чугун Свойства серого Чугунзависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый Чугун с ферритно-перлитной металлической основой.   Белый Чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном Чугун). Кристаллизация белых Чугун происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Чугун карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.   Половинчатый Чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).   Ковким называется Чугун в отливках, изготовленных из белого Чугун и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. КовкийЧугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Чугун определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Чугун в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Чугун Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Чугун модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий Чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Чугун высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.   Высокопрочный Чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств Чугун с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствамуглеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Чугун Высокопрочные Чугун, имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Чугун с шаровидным и Чугун с пластинчатым графитом. Этот Чугун обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Чугун). Чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.   Легированные Чугун Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Чугун особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Чугун классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Чугун имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.   Чугун с 5—7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12—18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой Чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун с 19—25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Чугун жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили Чугун, легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) — нихарды. Аустенитные никелевые Чугун, легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.   Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Чугун содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Чугун: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Чугун обозначают ЛК, в отличие от Чугун, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Чугун ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Чугун ЛК4). Каждая марка Чугун в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Чугунлитейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Чугун, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного Чугун в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Чугун указывают его механические свойства. Для серых Чугун приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Чугун цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Чугун состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Чугун, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Чугун: ЧН19ХЗ — Чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном Чугун регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).   Чугун в искусстве. Чугун как материал для производства художественных отливок использовался ещё средневековыми мастерами (например, в 10 в. нашей эры в Китае из Чугун было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т, не сохранилось). С 15 в. в Германии, а затем и в других странах Европы (в России — с конца 17 в.; см. также Каслинское литьё) художественное литьё из Чугун получило особенно широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр.). В 20 в. более массивное, чем бронзовое, но более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое.

48

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий  Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с периодом а=0.4041нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность - 2.7г/см3 против 7.8г/см3 для железа и 8.94г/см3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al).

Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1.

Классификация алюминиевых сплавов

Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg  и другие.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое  применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дуралюмины.  Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.

Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т, повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.

Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты.

Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.

Сплав Д16 - s0.2=400МПа, sв=540МПа, d=11%.

Сплавы авиаль (АВ).  Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллической.

Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Сплав АВ - s0.2=200МПа, sв=260МПа, d=15%.

Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550-700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Сплав В95хорощо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при t<=100¸120°С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплав В95 - s0.2=530-550МПа, sв=560-600МПа, d=8%.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей.

Сплав АК8 - s0.2=300МПа, sв=480МПа, d=10%.

Жаропрочные сплавы.  Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300°С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Сплав Д20 - s0.2=250МПа, sв=400МПа, d=12%.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые

 термической обработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.

Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена.

Сплавы (АМц, АМг2, АМг3) применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

Сплав АМг3 - sв=220МПа, s0.2=110МПа, d=20%.

Литейные алюминиевые сплавы Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.

Сплавы Al-Si (силумины). Отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Сплавы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплав АЛ9 - sв=200МПа, s0.2=140МПа, d=5%.

Сплавы Al-Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие.

Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению.

Сплав АЛ7 - sв=240МПа,s0.2=160МПа, d=7%.

Сплавы Al-Mg. Имеют низкие литейные свойства. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием.

Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации.

Сплав АЛ8 - sв=350МПа, s0.2=170МПа, d=10%.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300°С.

Сплав АЛ1 - sв=260МПа, s0.2=200МПа, d=0.6%.

49