Чугуны с цементитом и графитом. В соответствии с состоянием, в котором в сплавах находится углерод, различают два вида чугунов: чугуны с цементитом и чугуны с графитом.
Чугуны с цементитом – это чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Чугун с цементитом называют белым чугуном. Свое название он получил по виду излома, который имеет матово–белый цвет.
Чугуны с графитом – это чугуны, в которых углерод полностью или частично находится в свободном состоянии в виде графита К таким чугунам относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны, отличающиеся условиями образования графитных включений и их формой.
Белый чугун. Отбеливание.
Белый чугун является чугуном с цементитом, фазовые превращения в котором при первичной кристаллизации и в твердом состоянии в процессе
последующего охлаждения протекают согласно диаграмме «Железо–цементит». Графитизация блокируется отсутствием кремния и быстрым охлаждением отливок небольшой массы. Поэтому белые чугуны приобретают структуру, указанную на диаграмме «Железо–цементит», по которой их подразделяют на три группы:
белые доэвтектические чугуны со структурой перлита, ледебурита перлитового и цементита вторичного (П + ЛП + ЦII);
белый эвтектический чугун со структурой ледебурита перлитового (ЛП);
белые заэвтектические чугуны со структурой ледебурита перлитового и цементита первичного (ЛП + ЦI).
Поскольку концентрация углерода в чугунах ограничивается 3,7%, то на практике используются в основном белые доэвтектические чугуны.
Вследствие большого количества цементита белые чугуны:
имеют высокую твердость (до 450[Symbol]550НВ) и высокую износостойкость;
являются очень хрупким материалом;
обладают невысокими технологическими свойствами; они плохо поддаются обработке резанием из–за своей высокой твердости.
Основное назначение белого чугуна – это переработка на ковкий чугун.
Отбеливание представляет собой процесс образования белого чугуна в поверхностном слое отливки из серого чугуна. Отбеливание является следствием быстрого охлаждения поверхности отливки, что, как указывалось, препятствует графитизации. Отбеливание происходит при заливке жидкого чугуна в металлическую форму (кокиль). Отбеливание может быть:
вредным, если отливка в дальнейшем подвергается механической обработке для обеспечения окончательных формы и размеров изготавливаемой детали; в этом случае отбеливание устраняется графитизирующим отжигом, в процессе которого цементит распадается с образованием графита;
полезным, если полученная литая деталь практически не подвергается резанию и предназначена для работы в условиях, требующих высокой износостойкости.
Чугуны с графитом.
Микроструктура этих чугунов состоит из металлической основы и графитных включений. Изменяя концентрацию углерода, кремния и марганца в чугуне, а также скорость охлаждения отливки, возможно регулировать степень графитизации чугуна и получать различную структуру его металлической основы: феррит, феррит и перлит или перлит. Феррит (Ф) образуется тогда, когда графитизация проходит полностью и весь углерод находится в виде графита. Если графитизация проходит частично, то сохраняется часть цементита или весь цементит, входящие в состав перлита. В этих случаях металлическая основа может состоять из:
феррита и перлита (Ф + П), соотношение которых между собой зависит от степени распада эвтектоидного цементита;
перлита (П), в котором 0,8% углерода находится в связанном состоянии, т.е. в цементите.
В металлической основе располагаются графитные включения, что и определяет – специфические свойства чугунов.
Влияние металлической основы на некоторые свойства чугунов с графитом является определяющим. Так, твердость чугунов и предел прочности при сжатии зависят в основном от металлической основы. Вместе с тем, прочность при растяжении ([Symbol]в) и изгибе ([Symbol]изг), а также пластичность (относительное удлинение [Symbol]) во многом зависят от формы, количества, размеров и характера распределения графитных включений.
Влияние графита на свойства чугунов. Графит имеет гексагональную слоистую решетку с небольшой энергией связи между атомами, вследствие чего он обладает очень низкими твердостью, прочностью и пластичностью и сам по себе не может улучшить свойства чугуна. Более того, графитные включения фактически представляют собой своеобразные трещины или пустоты, заполненные графитом. Чугун, в связи с этим, можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством таких трещин и пустот (графитных включений), ослабляющих металлическую основу. Чем больше графитных включений, чем они грубее, тем больше они разобщают металлическую основу и тем ниже механические свойства чугуна. Графитные включения в чугунах могут иметь пластинчатую, шаровидную или хлопьевидную форму.
Пластинчатый графит, играющий роль острых трещин и надрезов, является резким концентратором напряжений. Под действием нормальных напряжений по концам таких графитных включений легко формируются очаги разрушения. По этой причине чугуны с пластинчатым графитом имеют самую низкую прочность при растяжении и изгибе. При скруглении графитных включений они уже выполняют роль пустот, а не трещин, и являются менее резкими концентраторами напряжений. Поэтому чугуны с шаровидным графитом имеют самую высокую прочность при растяжении и изгибе, а с хлопьевидным графитом уступают им по своим прочностным характеристикам, но превосходят чугуны с пластинчатым графитом. Таким образом, прочность чугунов с графитом определяется строением металлической основы и формой графитных включений. Характерно, что при меньшей степени графитизации (например в феррито–перлитном и, особенно, в перлитном чугунах) количество (объем) и размеры графитных включений будут всегда меньше.
Уровень пластичности чугунов определяется в значительной степени формой графита. Самую низкую пластичность ([Symbol][Symbol]0,5%) имеет чугун с пластинчатым графитом; при хлопьевидном и шаровидном графите относительное удлинение может достигать 12[Symbol]17%.
Характерно, что, ухудшая механические свойства, графит придает чугуну ряд ценных свойств:
графит улучшает литейные свойства, уменьшая усадку чугунов при кристаллизации. Практически у всех металлов и сплавов наблюдается уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое. Уменьшение объема происходит и при кристаллизации чугунов, но оно компенсируется увеличением их объема в результате графитизации, так как плотность образующегося графита (2230кг/м3) в
3,5 раза меньше плотности железа и цементита (7800кг/м3). В результате общее уменьшение объема (усадка) при получении отливок из чугунов с графитом составляет всего
0,5% (усадка у сталей до 1,5%);
мягкий и хрупкий графит улучшает обрабатываемость чугунов резанием, способствуя образованию мелкочешуйчатой стружки надлома (стружка ломается на графитовых включениях);
графит, выходящий на поверхность детали, выполняет роль смазки, вследствие чего чугуны обладают хорошими антифрикционными свойствами, позволяющими использовать их в парах трения;
графит гасит вибрации и резонансные колебания;
чугуны с графитом (особенно пластинчатым) не чувствительны к надрезам, неровностям и другим дефектам поверхности деталей, поскольку подобные дефекты в виде графитных включений уже имеются в самом чугуне. Поэтому такой чугун обеспечивает одинаковую конструктивную прочность как в деталях простой формы с ровной поверхностью, так и в деталях сложной формы с надрезами или плохо обработанной поверхностью.
Серый чугун.
Серый чугун представляет собой чугун с графитом пластинчатой формы. Свое название он получил по виду излома, который имеет серый цвет. Образование графита пластинчатой формы происходит при очень медленном охлаждении чугуна как в процессе самой кристаллизации, так и при дальнейшем охлаждении затвердевшей отливки. Серые чугуны являются хрупким материалом ([Symbol][Symbol]0,5%) и имеют низкую прочность ([Symbol]в), уступающую прочности стали Ст3. Серые чугуны получают на различной металлической основе: ферритной, феррито–перлитной и перлитной. Различная структура металлической основы, количество и размеры графитных пластин, определяющих механические свойства серых чугунов, обеспечиваются различной степенью графитизации.
Серые ферритные чугуны содержат повышенное количество (2,4[Symbol]2,6%) кремния и получаются в крупных отливках с толщиной стенки [Symbol]25мм. В результате графитизация проходит полностью; в структуре этих чугунов присутствует феррит и наибольшее количество крупных графитных включений (пластин). Ферритные чугуны по этой причине имеют наиболее низкую прочность и применяются для изготовления крупных слабонагруженных деталей (маховики, корпуса редукторов и насосов, суппорты, тормозные барабаны и т.п.).
Серые феррито–перлитные чугуны имеют структуру, состоящую из феррита, перлита и графита пластинчатой формы; содержат меньшее количество (1,4[Symbol]2,2%) кремния. Существенное уменьшение концентрации кремния приводит к тому, что графитизация проходит частично; сохраняется часть нераспавшегося цементита, входящего в состав перлита. В результате количество графитных включений и их размеры уменьшаются. Эти обстоятельства вместе с присутствием в металлической основе более прочного (по сравнению с ферритом) перлита приводят к повышению прочности таких чугунов. Из феррито–перлитных чугунов изготавливают детали, работающие при повышенных нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни, барабаны сцепления, станины и др.
Серые перлитные чугуны содержат еще меньше (1,0[Symbol]1,3%) кремния. При таком содержании кремния не происходит графитизация цементита, присутствующего в перлите. Структура таких чугунов состоит из перлита и меньшего количества более мелких пластин графита. В результате перлитные чугуны имеют более высокую прочность и применяются для изготовления деталей, работающих при высоких нагрузках и в условиях износа: зубчатых колес, гильз блоков цилиндров, распределительных валов, станин мощных станков, деталей компрессоров и металлургического оборудования и др.
Микроструктуры серых чугунов приведены на рис.7.4. Серые чугуны обозначаются буквами СЧ и цифрами, показывающими прочность при растяжении ([Symbol]в) в кгс/мм2 см таблицу7.2
Таблица 7.2. Марки и механические свойства серых чугунов.
Марка
Механические свойства
Структура металлической основы
временное сопротивление разрыву [Symbol]в, МПа
относительное удлинение [Symbol], %
СЧ 15
150
<0,5
феррит
СЧ 20
200
<0,5
феррит + перлит
СЧ 30
300
[Symbol]0,5
перлит
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун представляет собой чугун с графитом шаровидной формы. Его получают введением (модифицированием) в жидкий чугун небольших добавок магния (0,03[Symbol]0,07%). Ввиду того, что введение чистого магния сопровождается сильным разбрызгиванием жидкого чугуна, чистый магний заменяют сплавом магния и никеля.
Шаровидный графит, значительно меньше ослабляет металлическую основу и не является резким концентратором напряжений. Поэтому высокопрочные чугуны имеют более высокую прочность, практически не уступающую прочности литой углеродистой стали, и значительно лучшую пластичность, чем серые чугуны. В зависимости от степени графитизации они, как и серые чугуны, могут быть получены на ферритной, феррито–перлитной и перлитной металлической основе. Микроструктура высокопрочного чугуна приведена на рис.7.5. Марки высокопрочных чугунов обозначаются буквами ВЧ и цифрами, из которых первые указывают прочность при растяжении ([Symbol]в) в кгс/мм2, а вторые – относительное удлинение ([Symbol]) в %, характеризующее пластичность (см. табл.7.3).
Таблица 7.3. Марки и механические свойства высокопрочных чугунов.
Марка
Механические свойства
Структура металлической основы
Временное сопротивление разрыву [Symbol]в, МПа
Относительное удлинение [Symbol], %
ВЧ 38–17
380
17
феррит
ВЧ 45–5
450
5
феррит + перлит
ВЧ 60–2
600
2
перлит
Высокопрочные чугуны применяются в различных отраслях машиностроения, эффективно заменяя сталь при изготовлении различных деталей. Из них изготавливают детали прокатных станов (валки массой до 12 т), кузнечно–прессового оборудования (траверсы), турбин (корпуса), автомобильных и тракторных двигателей (коленчатые валы, поршни) и др.
Ковкий чугун
Ковкий чугун представляет собой чугун с графитом хлопьевидной формы; его получают графитизирующим отжигом отливок из белого чугуна, в процессе которого происходит графитизация с образованием хлопьевидного графита (рис.7.6).
Получение отливки из белого чугуна обеспечивается как быстрым охлаждением, так и особенностями химического состава. Быстрое охлаждение достигается в тонкостенных отливках, в отливках с размером сечения не более 40[Symbol]50мм. К особенностям химического состава следует отнести пониженное содержание углерода (2,4[Symbol]2,8%) и кремния (1,0[Symbol]1,6%); раскисление осуществляется в основном марганцем, препятствующим графитизации.
Графитизирующий отжиг проводится в две стадии. Он заключается в медленном нагреве (20[Symbol]25 ч) отливок до температуры 950[Symbol]1000°С и длительной выдержке (10[Symbol]15 ч), в процессе которой происходит распад цементита, входящего в состав ледебурита, и частично вторичного цементита (первая стадия). Затем осуществляется медленное охлаждение (до 12 ч), в процессе которого происходит выделение из аустенита вторичного цементита и его распад с образованием хлопьевидного графита.
Вторая стадия отжига протекает при температуре немного ниже температуры эвтектоидного превращения в течение 25[Symbol]30 ч; происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит и распад цементита перлита на феррит и графит.
В результате такого отжига отливок белого чугуна получают ковкий ферритный чугун (излом бархатисто–черный). При сокращении выдержки второй стадии отжига графитизация цементита перлита происходит не доконца, и получают ковкий феррито–перлитный чугун, а если исключить вторую стадию – ковкий перлитный чугун (излом светлый).
Компактная форма хлопьевидного графита, в меньшей степени ослабляющая металлическую основу, чем пластинчатый графит, отсутствие литейных напряжений, которые полностью устраняются во время отжига, обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов. Они существенно превосходят серые чугуны по прочности и особенно по пластичности. Ковкие чугуны не куют; свое название они получили из–за своей более высокой пластичности.
Марки ковких чугунов обозначаются буквами КЧ и цифрами, указывающими те же свойства, что и у высокопрочных чугунов (см. табл.7.4).
Таблица 7.4. Марки и механические свойства ковких чугунов.
Марка
Механические свойства
Структура металлической основы
Временное сопротивление разрыву [Symbol]в, МПа
Относительное удлинение [Symbol], %
КЧ 30–6
300
6
феррит
КЧ 37–12
370
12
феррит + перлит
КЧ 45–7
450
7
перлит
Из ковких чугунов изготавливают детали небольших размеров, которые работают при значительных статических и динамических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, фланцы, муфты, вилки карданных валов, втулки, тормозные колодки) и др.
36. Медь и сплавы на основе меди. Маркировка медных сплавов.
Медь и сплавы на медной основе.
Медь – химический элемент I группы Периодической системы Д.И. Менделеева, её порядковый номер 29. Медь имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку. Температура плавления меди 1083°С. Плотность 8,94 г/см3.
Медь – металл красноватого цвета. Она обладает очень высокой тепло– и электропроводностью, уступая по этим свойствам лишь серебру. Высокая электропроводность, наряду с пластичностью определило широкое применение меди в электропромышленности. Медь хорошо сопротивляется коррозии.
К недостаткам меди следует отнести высокую плотность, что определяет большой вес изделий, а также ряд технологических недостатков: малую жидкотекучесть, а также низкую свариваемость и обрабатываемость резанием.
В зависимости от чистоты выпускают медь следующих марок: М00 (99,99%Cu), М0 (99,95%Cu), М1 (99,9%Cu), М2 (99,7%Cu) и М3 (99,5%Cu).
Сплавы на основе меди.
Медные сплавы нашли широкое применение в промышленности благодаря высоким эксплуатационным и технологическим свойствам. Они обладают достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами. Медные сплавы немагнитны.
Структура медных сплавов зависит от концентрации в них легирующих компонентов. Сплавы могут быть однофазными, состоящими из [Symbol]–твердого раствора легирующего компонента в меди, или двухфазными, в которых наряду с [Symbol]–твердым раствором присутствует промежуточная фаза (химическое соединение).
Большинство сплавов на основе меди не упрочняется термической обработкой. Анализ диаграммы состояния «медь – легирующий компонент» показывает, что для сплавов этой системы не могут быть реализованы ни перекристаллизация, ни дисперсионное твердение. Перекристаллизация – из–за отсутствия в сплавах полиморфного превращения. Дисперсионное твердение – поскольку повышение температуры сплавов не сопровождается увеличением растворимости легирующего компонента в твердом растворе, поэтому получение пересыщенного твердого раствора с последующим выделением дисперсных частиц упрочняющей фазы невозможно.
По технологическому признаку сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. В основе этого деления лежат свойства сплавов, определяемые их структурой.
Высокой пластичностью обладают сплавы типа твердый раствор. Поэтому деформируемые сплавы, как правило, однофазные или, что реже, – двухфазные с небольшим количеством второй фазы. Однофазные сплавы хорошо деформируются в горячем и в холодном состоянии, двухфазные лишь в горячем – при температурах выше 500[Symbol]600°С.
Литейными сплавы – двухфазные. Наличие второй фазы определяет малую пластичность сплавов, но они обладают хорошей жидкотекучестью вследствие относительно низких температур плавления.
Деформируемые сплавы поставляют в виде листов, ленты, проволоки, проката. Литейные сплавы – в виде чушек.
Медь является основой сплавов двух типов – это латуни и бронзы.
Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых основным легирующим компонентом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью. Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, износостойкость. Вместе с тем уменьшаются тепло– и электропроводность, ухудшается коррозионная стойкость.
Латуни разделяют: по химическому составу на простые (в состав латуни входят только медь и цинк) и сложные (с несколькими легирующими компонентами), по структуре – на однофазные и двухфазные, по технологическому признаку – на деформируемые и литейные.
К однофазным латуням относятся сплавы с концентрацией цинка менее 39%. При большей концентрации цинка образуется промежуточная фаза CuZn, близкая по свойствам к химическим соединениям, т.е. обладающая высокой твердостью и хрупкостью.
Прочность и пластичность латуней в зависимости от содержания цинка меняются по экстремальным законам – с максимумами (рис.14.2). Это соответствует изменению их структуры.
Повышение прочности наблюдается при увеличении концентрации цинка до 45%. При его большем содержании структура сплавов становится однофазной, состоящей только из хрупкой фазы, что приводит к снижению прочности. Поэтому в промышленности используют латуни с содержанием цинка до 45%. Повышение пластичности при увеличении концентрации цинка достигается лишь для сплавов с однофазной структурой, при переходе в двухфазную область пластичность снижается из–за появления в структуре твердой и хрупкой фазы.
Однофазные латуни (с содержанием менее 39% цинка) имеют хорошую пластичность и обрабатываются давлением как в холодном, так и в горячем состояниях. Они могут быть упрочнены за счет наклепа путем холодной пластической деформации. По технологическому признаку это деформируемые сплавы.
Двухфазные латуни (содержащие более 39% цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии, но они хорошо обрабатываются резанием, т.к. наличие хрупкой [Symbol][Symbol] – фазы обеспечивает лучшее стружкоотделение. Двухфазные латуни могут быть деформируемыми и литейными.
С целью получения требуемых свойств латуни дополнительно (помимо цинка) легируют различными компонентами: для улучшения обрабатываемости резанием вводят свинец; для повышения коррозионной стойкости – олово, алюминий, кремний, марганец; для улучшения механических свойств – алюминий, никель.
Деформируемые латуни поставляют в виде листов, лент, труб, проволоки и других полуфабрикатов. Их используют для изготовления радиаторных трубок, втулок, уплотнительных колец, снарядных гильз и т.д. Латуни, в которых содержится до 10% цинка называются томпаком, а те, в которых менее 20% цинка, – полутомпаком. Они имеют цвет золота и широко применяются для декоративных изделий. Латунь, в состав которой входит 1% свинца, хорошо обрабатывается резанием, ее называют автоматной латунью.
Бронзами называют сплавы меди, в которых основным может быть любой легирующий компонент, кроме цинка и никеля. В качестве легирующих компонентов используют олово, алюминий, марганец, кремний и др.
Наибольшее применение в промышленности имеют оловянные и алюминиевые бронзы (название – по основному легирующему компоненту).
Механические и антифрикционные свойства, а также коррозионная стойкость бронз выше, чем у латуней.
Оловянные бронзы. Медь образует с оловом (как и с цинком) твердые растворы и промежуточные фазы, типа химические соединения.
Область существования [Symbol]–твердого раствора на диаграмме состояния «Image» значительно уже, чем на диаграмме «Image». В соответствии с диаграммой состояния системы «Image» предельная растворимость олова в меди составляет 14%, при большем содержании олова сплавы становятся двухфазными, появляется вторая фаза.
Малая скорость диффузии олова в меди не позволяет получить в этих сплавах равновесного состояния. Поэтому фактически однофазными являются бронзы с содержанием олова до 5–6%. При его большем содержании в структуре уже появляется вторая фаза, обладающая высокой твердостью и хрупкостью. Ее появление в структуре сопровождается повышением прочности, но резким снижением вязкости и пластичности сплава. Резкое снижение этих свойств определило промышленное применение бронз с содержанием олова до 20%.
Однофазные бронзы достаточно высокой пластичностью. Это деформируемые сплавы, их можно деформировать в холодном состоянии и, таким образом, упрочнять наклепом.
Наличие хрупкой фазы в двухфазных бронзах исключает возможность их деформирования не только в холодном, но и в горячем состоянии. Это литейные бронзы.
Помимо основного легирующего компонента – олова, оловянные бронзы легируют цинком, свинцом, фосфором.
Цинк в количестве 5[Symbol]10% растворяется в меди, не оказывая существенного влияния на структуру, его вводят для удешевления бронз. Свинец повышает обрабатываемость резанием. Фосфор повышает механические свойства бронз, являясь раскислителем, он удаляет хрупкие включения оксида олова (SnO).
Деформируемые оловянные бронзы поставляют в виде прутков, лент и проволоки. Их применяют для изготовления пружин и упругих элементов машин и приборов.
Литейные оловянные бронзы используют для изготовления деталей пар трения, скольжения из–за их высоких антифрикционных свойств (втулки и подшипники скольжения); для деталей, работающих в агрессивных средах – морской воде и маслах, т.к. они обладают высокой коррозионной стойкостью. Отливки из этих бронз имеют низкую усадку (менее 1%). Это объясняется значительной пористостью, отливки получают распределенные по всему объему поры, а не усадочную раковину вследствие большой разницы между температурами ликвидус и солидус. Отливки из оловянных бронз применяют для художественного литья.
Алюминиевые бронзы. Сплавы, содержащие до 9%Al – однофазные, что определяется предельной растворимостью алюминия в меди. В структуре сплавов с большим содержанием алюминия появляется вторая фаза, обладающая высокой твердостью и хрупкостью. Это приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому практическое применение получили бронзы с содержанием алюминия до 10%.
Однофазные алюминиевые бронзы отличаются высокой прочностью и пластичностью.
Двухфазные бронзы менее пластичны, заготовки из них получают либо горячей пластической деформацией, либо литьем.
Дополнительное легирование бронз железом, никелем, марганцем улучшает ряд свойств.
Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, жаростойкость и коррозионную стойкость алюминиевых бронз, улучшает антифрикционные свойства. Марганец повышает технологические свойства и коррозионную стойкость.
Алюминиевые бронзы имеют высокий комплекс эксплуатационных и технологических свойств. По механическим свойствам и коррозионной стойкости они превосходят оловянные бронзы, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Однофазные бронзы пластичны и легко деформируются, двухфазные обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются резанием. Поскольку температура плавления алюминиевых бронз выше, чем оловянных, они обладают меньшей жидкотекучестью. Это свойство улучшается при введении в состав алюминиевых бронз фосфора. Отливки из алюминиевых бронз имеют меньшую пористость по сравнению с оловянными, т.к. у них мала разница температур ликвидус и солидус.
Двух– и многокомпонентные алюминиевые бронзы имеют широкое распространение в машиностроении. Высокая прочность и хорошие технологические свойства бронз позволяют изготавливать из них детали сложной формы, работающие в особо тяжелых условиях, например, венцы червячных колес, зубчатые колеса, подшипники и др. Алюминиевые бронзы, дополнительно легированные железом, марганцем и никелем широко применяются в авиационной промышленности и в судостроении. Бронзы в отливках используют для котельной арматуры, работающей при повышенных напряжениях. Двухфазные бронзы (как и двухфазные латуни) применяют для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Высокая износостойкость объясняется низким коэффициентом трения этих материалов и наличием в структуре твердой второй твердой фазы.
Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы отличаются высокими пределами прочности и упругости, высокой твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости, ползучести и изнашиванию.
Практическое применение получили бериллиевые бронзы с содержанием бериллия 1,9[Symbol]2,2%. Их структура состоит из [Symbol]–твердого раствора бериллия в меди, а также твердой и хрупкой второй фазы. Сплавы с большей концентрацией бериллия не применяются, т.к. имеют низкую пластичность из–за большого количества второй фазы.
Максимальная растворимость бериллия в меди наблюдается при температуре 866°С. При понижении температуры растворимость бериллия в меди снижается. Это определяет возможность упрочнения бериллиевой бронзы за счет дисперсионного твердения в отличие от других сплавов на основе меди, которые не упрочняются термической обработкой. Высокое значение предела текучести определило применение бериллиевых бронз для изготовления из них упругих элементов (пружин, мембран и т.п.). Их применяют также и для изготовления других нагруженных деталей приборов и машин (кулачков, подшипников, работающих при высоких скоростях и т.д.).
Бериллиевые бронзы обладают достаточно высокой теплостойкостью. Изделия из них могут работать при нагреве до 340°С.
Бериллиевые бронзы выпускают в виде проката (пруток, полоса, лента, проволока), однако из них можно получать и качественные отливки. Недостатком этих сплавов является их высокая стоимость.
Обозначение сплавов на основе меди.
Принципы маркировки медных сплавов близки: легирующие компоненты обозначаются одинаковыми буквами (отличными от принятых для обозначения сталей): А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Мг – магний, Н – никель, О – олово, С – свинец, Т – титан, Ф – фосфор, Х – хром, Ц – цинк. Содержание компонентов указывается в % масс. доли. Сочетание букв и цифр в марках деформируемых и литейных сплавов различное. В деформируемых сплавах сначала пишутся буквы, обозначающие наличие определенных легирующих компонентов, а затем цифры, показывающие содержание компонентов в порядке их написания. В литейных – цифры пишутся непосредственно после буквы, обозначающей наличие компонента (аналогично тому, как это принято в сталях).
Латуни обозначаются буквой Л. В деформируемых латунях содержание цинка не указывается, оно дополняет состав до 100% (например, состав латуни Л96 – 96%Cu и неуказанное содержание Zn –4%, или ЛС59–1 – автоматная латунь, в состав которой входит 59% Cu , 1%Pb, а остальное – Zn). В литейных – наоборот – не указывается содержание меди (состав литейной латуни ЛЦ30А3 – 30% Zn, 3%Al и остальное – Cu).
Бронзы обозначаются буквами Бр, в марках не указывается содержание меди. Иногда в литейных сплавах в конце марки ставят букву Л. Например: БрОЦС4–4–2,5 – это деформируемая оловянная бронза, в которой содержится 4%Sn, 4%Zn, 2,5%Pb, а остальное (89,5%) – Cu; или БрА9Мц2Л– это алюминиевая литейная бронза, в которой содержится 9%Al и 2%Mn, остальное – Cu.
37. Латуни. Маркировка латуней.
Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых основным легирующим компонентом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью. Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, износостойкость. Вместе с тем уменьшаются тепло– и электропроводность, ухудшается коррозионная стойкость.
Латуни разделяют: по химическому составу на простые (в состав латуни входят только медь и цинк) и сложные (с несколькими легирующими компонентами), по структуре – на однофазные и двухфазные, по технологическому признаку – на деформируемые и литейные.
К однофазным латуням относятся сплавы с концентрацией цинка менее 39%. При большей концентрации цинка образуется промежуточная фаза CuZn, близкая по свойствам к химическим соединениям, т.е. обладающая высокой твердостью и хрупкостью.
Прочность и пластичность латуней в зависимости от содержания цинка меняются по экстремальным законам – с максимумами (рис.14.2). Это соответствует изменению их структуры.
Повышение прочности наблюдается при увеличении концентрации цинка до 45%. При его большем содержании структура сплавов становится однофазной, состоящей только из хрупкой фазы, что приводит к снижению прочности. Поэтому в промышленности используют латуни с содержанием цинка до 45%. Повышение пластичности при увеличении концентрации цинка достигается лишь для сплавов с однофазной структурой, при переходе в двухфазную область пластичность снижается из–за появления в структуре твердой и хрупкой фазы.
Однофазные латуни (с содержанием менее 39% цинка) имеют хорошую пластичность и обрабатываются давлением как в холодном, так и в горячем состояниях. Они могут быть упрочнены за счет наклепа путем холодной пластической деформации. По технологическому признаку это деформируемые сплавы.
Двухфазные латуни (содержащие более 39% цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии, но они хорошо обрабатываются резанием, т.к. наличие хрупкой [Symbol][Symbol] – фазы обеспечивает лучшее стружкоотделение. Двухфазные латуни могут быть деформируемыми и литейными.
С целью получения требуемых свойств латуни дополнительно (помимо цинка) легируют различными компонентами: для улучшения обрабатываемости резанием вводят свинец; для повышения коррозионной стойкости – олово, алюминий, кремний, марганец; для улучшения механических свойств – алюминий, никель.
Деформируемые латуни поставляют в виде листов, лент, труб, проволоки и других полуфабрикатов. Их используют для изготовления радиаторных трубок, втулок, уплотнительных колец, снарядных гильз и т.д. Латуни, в которых содержится до 10% цинка называются томпаком, а те, в которых менее 20% цинка, – полутомпаком. Они имеют цвет золота и широко применяются для декоративных изделий. Латунь, в состав которой входит 1% свинца, хорошо обрабатывается резанием, ее называют автоматной латунью.
38. Бронзы. Маркировка бронз.
Бронзами называют сплавы меди, в которых основным может быть любой легирующий компонент, кроме цинка и никеля. В качестве легирующих компонентов используют олово, алюминий, марганец, кремний и др.
Наибольшее применение в промышленности имеют оловянные и алюминиевые бронзы (название – по основному легирующему компоненту).
Механические и антифрикционные свойства, а также коррозионная стойкость бронз выше, чем у латуней.
Оловянные бронзы. Медь образует с оловом (как и с цинком) твердые растворы и промежуточные фазы, типа химические соединения.
Область существования [Symbol]–твердого раствора на диаграмме состояния «» значительно уже, чем на диаграмме «». В соответствии с диаграммой состояния системы «» предельная растворимость олова в меди составляет 14%, при большем содержании олова сплавы становятся двухфазными, появляется вторая фаза.
Малая скорость диффузии олова в меди не позволяет получить в этих сплавах равновесного состояния. Поэтому фактически однофазными являются бронзы с содержанием олова до 5–6%. При его большем содержании в структуре уже появляется вторая фаза, обладающая высокой твердостью и хрупкостью. Ее появление в структуре сопровождается повышением прочности, но резким снижением вязкости и пластичности сплава. Резкое снижение этих свойств определило промышленное применение бронз с содержанием олова до 20%.
Однофазные бронзы достаточно высокой пластичностью. Это деформируемые сплавы, их можно деформировать в холодном состоянии и, таким образом, упрочнять наклепом.
Наличие хрупкой фазы в двухфазных бронзах исключает возможность их деформирования не только в холодном, но и в горячем состоянии. Это литейные бронзы.
Помимо основного легирующего компонента – олова, оловянные бронзы легируют цинком, свинцом, фосфором.
Цинк в количестве 5[Symbol]10% растворяется в меди, не оказывая существенного влияния на структуру, его вводят для удешевления бронз. Свинец повышает обрабатываемость резанием. Фосфор повышает механические свойства бронз, являясь раскислителем, он удаляет хрупкие включения оксида олова (SnO).
Деформируемые оловянные бронзы поставляют в виде прутков, лент и проволоки. Их применяют для изготовления пружин и упругих элементов машин и приборов.
Литейные оловянные бронзы используют для изготовления деталей пар трения, скольжения из–за их высоких антифрикционных свойств (втулки и подшипники скольжения); для деталей, работающих в агрессивных средах – морской воде и маслах, т.к. они обладают высокой коррозионной стойкостью. Отливки из этих бронз имеют низкую усадку (менее 1%). Это объясняется значительной пористостью, отливки получают распределенные по всему объему поры, а не усадочную раковину вследствие большой разницы между температурами ликвидус и солидус. Отливки из оловянных бронз применяют для художественного литья.
Алюминиевые бронзы. Сплавы, содержащие до 9%Al – однофазные, что определяется предельной растворимостью алюминия в меди. В структуре сплавов с большим содержанием алюминия появляется вторая фаза, обладающая высокой твердостью и хрупкостью. Это приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому практическое применение получили бронзы с содержанием алюминия до 10%.
Однофазные алюминиевые бронзы отличаются высокой прочностью и пластичностью.
Двухфазные бронзы менее пластичны, заготовки из них получают либо горячей пластической деформацией, либо литьем.
Дополнительное легирование бронз железом, никелем, марганцем улучшает ряд свойств.
Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, жаростойкость и коррозионную стойкость алюминиевых бронз, улучшает антифрикционные свойства. Марганец повышает технологические свойства и коррозионную стойкость.
Алюминиевые бронзы имеют высокий комплекс эксплуатационных и технологических свойств. По механическим свойствам и коррозионной стойкости они превосходят оловянные бронзы, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Однофазные бронзы пластичны и легко деформируются, двухфазные обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются резанием. Поскольку температура плавления алюминиевых бронз выше, чем оловянных, они обладают меньшей жидкотекучестью. Это свойство улучшается при введении в состав алюминиевых бронз фосфора. Отливки из алюминиевых бронз имеют меньшую пористость по сравнению с оловянными, т.к. у них мала разница температур ликвидус и солидус.
Двух– и многокомпонентные алюминиевые бронзы имеют широкое распространение в машиностроении. Высокая прочность и хорошие технологические свойства бронз позволяют изготавливать из них детали сложной формы, работающие в особо тяжелых условиях, например, венцы червячных колес, зубчатые колеса, подшипники и др. Алюминиевые бронзы, дополнительно легированные железом, марганцем и никелем широко применяются в авиационной промышленности и в судостроении. Бронзы в отливках используют для котельной арматуры, работающей при повышенных напряжениях. Двухфазные бронзы (как и двухфазные латуни) применяют для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Высокая износостойкость объясняется низким коэффициентом трения этих материалов и наличием в структуре твердой второй твердой фазы.
Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы отличаются высокими пределами прочности и упругости, высокой твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости, ползучести и изнашиванию.
Практическое применение получили бериллиевые бронзы с содержанием бериллия 1,9[Symbol]2,2%. Их структура состоит из [Symbol]–твердого раствора бериллия в меди, а также твердой и хрупкой второй фазы. Сплавы с большей концентрацией бериллия не применяются, т.к. имеют низкую пластичность из–за большого количества второй фазы.
Максимальная растворимость бериллия в меди наблюдается при температуре 866°С. При понижении температуры растворимость бериллия в меди снижается. Это определяет возможность упрочнения бериллиевой бронзы за счет дисперсионного твердения в отличие от других сплавов на основе меди, которые не упрочняются термической обработкой. Высокое значение предела текучести определило применение бериллиевых бронз для изготовления из них упругих элементов (пружин, мембран и т.п.). Их применяют также и для изготовления других нагруженных деталей приборов и машин (кулачков, подшипников, работающих при высоких скоростях и т.д.).
Бериллиевые бронзы обладают достаточно высокой теплостойкостью. Изделия из них могут работать при нагреве до 340°С.
Бериллиевые бронзы выпускают в виде проката (пруток, полоса, лента, проволока), однако из них можно получать и качественные отливки. Недостатком этих сплавов является их высокая стоимость.
39. Алюминий и сплавы на его основе.
Алюминий и сплавы на его основе.
Алюминий – элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер алюминия 13. Кристаллическая решетка алюминия – кубическая гранецентрированная (ГЦК) Температура плавления – 660°С. Алюминий не имеет полиморфных превращений.
Алюминий – металл серебристо–белого цвета. Его важной особенностью является низкая плотность – 2,7г/см3 (у стали – 7,8г/см3). Алюминий обладает высокой тепло– и электропроводностью, коррозионной стойкостью и пластичностью. Алюминий в воздушной среде имеет отрицательный электрохимический потенциал и, следовательно, окисляется на воздухе. Его коррозионная стойкость объясняется тем, что под действием кислорода воздуха на поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия толщиной, примерно, 10нм, которая изолирует металл от окружающей среды. Коррозионная способность алюминия тем выше, чем меньше содержится в нем примесей.
В зависимости от количества примесей различают алюминий особой чистоты, в котором содержится не более 0,001% примесей, высокой чистоты (не более 0,05% примесей) и технической чистоты (до 1% примесей). В промышленности применяют алюминий высокой и технической чистоты. Технический алюминий (марки АД0 и АД1) поставляется в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.
Наиболее широкое применение алюминий получил в электротехнической промышленности благодаря высокой электропроводности. Высокая теплопроводность позволяет применять алюминий для различных теплообменников.
Коррозионная стойкость определила применение алюминия в пищевой промышленности (посуда, цистерны для молока).
Применение алюминия как конструкционного материала ограничено его низкой прочностью (предел прочности алюминия высокой чистоты ) – поэтому его используют для изготовления элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки, когда основными требованиями является малый вес и сопротивление коррозии (палубные надстройки морских и речных судов, рамы, перегородки и т.д.).
Алюминий весьма пластичен, легко обрабатывается давлением, его применяют для изготовления фольги различного назначения.
Алюминий является основой большого количества промышленных сплавов.
Сплавы на основе алюминия.
Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются . Достоинства алюминиевых сплавов, определяющие область их применения, малая плотность (2,7[Symbol]3,0 г/см3) при достаточно высоких механических свойствах. Алюминиевые сплавы, за исключением сплавов с медью, имеют высокую коррозионную стойкость. Кроме того, они отличаются хорошей тепло– и электропроводностью.
Легирующие компоненты образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и фазы, близкие по свойствам к химическим соединениям. На рис.14.3 схематично изображена диаграмма состояния сплавов системы «Al – легирующий компонент».
Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии получения заготовок, способности к термической обработке и свойствам.
По технологическому признаку все алюминиевые сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, предназначенные для получения из них заготовок путем проката, прессования, ковки и штамповки; и литейные, предназначенные для получения заготовок литьем.
В зависимости от возможности упрочнения термической обработкой различают упрочняемые и не упрочняемые сплавы (рис.14.3).
Деформируемые алюминиевые сплавы.
На схематической диаграмме состояния «Al – легирующий компонент» (рис.14.3) эти сплавы располагаются в области А. Высокая пластичность сплавов объясняется их структурой – это однофазный твердый раствор. У некоторых сплавов такая структура наблюдается при всех температурах в твердом состоянии (зона I), у других (зона II) она достигается при нагреве выше критической точки.
Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для изготовления заготовок и изделий путем горячей и холодной пластической деформации (прокатки, ковки, штамповки и т.д.).
Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на сплавы, упрочняемые термической обработкой, и сплавы, не упрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.
Эти сплавы (зона I) не могут быть упрочнены с помощью термической обработки, т.к. при нагреве вплоть до температуры начала плавления (линия солидус) они сохраняют однофазную структуру [Symbol]–твердого раствора, т.е. никаких превращений не происходит. Упрочнение сплавов возможно только за счет наклепа при холодной пластической деформации.
Легирующими компонентами этих сплавов являются марганец (сплавы АМц) и магний (сплавы АМг). В марке цифра показывает содержание легирующего компонента (например, сплав АМг2 содержит 2%Мg).
Сплавы этой группы отличаются высокой пластичностью. По прочности и коррозионной стойкости они превосходят чистый алюминий. Их применяют для мало– и средненагруженных деталей и элементов конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, мачты речных и морских судов, рамы и кузова вагонов и т.д.).
Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой.
Эти сплавы в равновесном (отожженном) состоянии при цеховой температуре имеют двухфазную структуру, которая состоит из [Symbol]–твердого раствора и вторичной фазы, близкой по своим свойствам к химическим соединениям. Упрочнение сплавов достигается в результате дисперсионного твердения, это возможно, поскольку растворимость второго компонента уменьшается при понижении температуры (см. рис.14.3) (подробно это упрочнение рассмотрено выше, см. гл.6).
Наиболее широкое применение нашли сплавы системы – дуралюмины. Они обозначаются буквой Д, после которой следует номер сплава (Д1, Д16, Д18).
Упрочняющая термическая обработка состоит из операций закалки и старения. Приведем режимы термической обработки сплавов Д1 и Д18. Закалку выполняют от температуры 490[Symbol]500°С с быстрым охлаждением в воде. Затем проводят естественное старение при цеховой температуре в течение четырех суток.
Твердость и прочность дуралюминов примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако, при близких значениях предела прочности алюминиевые сплавы значительно превосходят сталь по удельной прочности (т.е. отношению предела прочности и плотности –, где [Symbol] – плотность) т.к. плотность алюминиевых сплавов (2,7г/см3) почти в три раза ниже, чем у стали (7,8г/ см3). Эта характеристика важна в тех случаях, когда важной задачей становится снижение веса изделия. Именно поэтому дуралюмины нашли широкое применение в авиации. Из них изготавливают лонжероны, тяги управления самолетов и т.д., что позволяет снизить вес конструкции. Дуралюмины обладают высокой пластичностью, их выпускают в виде листов, труб, прессованных и катаных профилей.
При использовании дуралюминов следует иметь в виду, что модуль нормальной упругости (Е) этих сплавов значительно ниже, чем у сталей. Эта характеристика материала определяет жесткость конструкции (жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться деформации при нагружении). При одинаковой нагрузке детали из алюминиевых сплавов той же конструкции, что и стальные, будут деформироваться в три раза больше, т.к. величина деформаций обратно пропорциональна модулю упругости. Поэтому алюминиевые сплавы нельзя использовать для тяжело нагруженных изделий.
Коэффициент трения скольжения алюминиевых сплавов значительно выше, чем у сплавов на основе железа и, особенно медных. Это ограничивает возможность их применения для деталей, работающих в парах трения.
Кроме дуралюминов, к деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся также сплав авиаль (АВ), который уступает дуралюминам в прочности, но обладает более высокой пластичностью; высокопрочные сплавы (В95, В96); сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8); жаропрочные сплавы (АК4–1, Д20).
Литейные алюминиевые сплавы.
Одно из важнейших требований к литейным сплавам – хорошая жидкотекучесть, которая тем выше, чем ниже температура затвердевания – линия солидус. При самой низкой температуре происходит затвердевание эвтектики. Поэтому литейными являются сплавы, в структуре которых имеется эвтектика (зона В на рис.14.3). Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава, у которых температуры ликвидуса и солидуса совпадают, они кристаллизуются при постоянной температуре, что предотвращает ликвацию. Такие сплавы хорошо заполняют литейные формы, оставаясь в однофазном, жидком состоянии до низких температур.
В качестве литейных могут быть использованы сплавы систем , , но наиболее широкое применение в промышленности нашли силумины – сплавы алюминия с кремнием, обладающие лучшими литейными свойствами.
Некоторые литейные сплавы можно упрочнить за счет дисперсионного твердения, их подвергают термической обработке – закалке и последующему искусственному старению.
Силумины обозначаются буквами АЛ, после которых указан номер сплава. Марка, как правило, не отражает химического состава сплава, но в некоторых марках приводят буквенное обозначение легирующих компонентов (К – кремний, М – медь, Ц – цинк), цифра после которых указывает их среднее содержание (например, состав сплава АК5М7 – 5%Si, 7%Cu, остальное – Al).
Силумины обладают хорошей жидкотекучестью, что позволяет изготавливать отливки сложной формы, но их механические свойства низкие. Прочность сплава АЛ2 составляет 180МПа, твердость 50НВ; соответствующие характеристики сплава АЛ4 – 260МПа и 75НВ.
Сплав АЛ2 имеет эвтектическую структуру и поэтому наиболее высокие литейные свойства. Этот сплав не подвергается упрочняющей термической обработке и поэтому имеет низкие твердость и прочность. Он используется для изготовления малонагруженных деталей: корпуса приборов, детали авиационных колес, кронштейны и т.д.
Сплав АЛ4 имеет хорошее сочетание литейных и механических свойств. Его можно упрочнить с помощью закалки и последующего
старения. Упрочняющей фазой служит . Этот сплав применяют для средних и крупных деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров, блоков и т.д.
По сравнению с широко применяемыми в промышленности в качестве литейных материалов чугунами силумины имеют ряд недостатков: более низкие механические свойства, высокий коэффициент трения, большую литейную усадку, их стоимость в несколько раз выше стоимости чугуна.
40. Деформируемые алюминиевые сплавы.
Эти сплавы в равновесном (отожженном) состоянии при цеховой температуре имеют двухфазную структуру, которая состоит из [Symbol]–твердого раствора и вторичной фазы, близкой по своим свойствам к химическим соединениям. Упрочнение сплавов достигается в результате дисперсионного твердения, это возможно, поскольку растворимость второго компонента уменьшается при понижении температуры (см. рис.14.3) (подробно это упрочнение рассмотрено выше, см. гл.6).
Наиболее широкое применение нашли сплавы системы – дуралюмины. Они обозначаются буквой Д, после которой следует номер сплава (Д1, Д16, Д18).
Упрочняющая термическая обработка состоит из операций закалки и старения. Приведем режимы термической обработки сплавов Д1 и Д18. Закалку выполняют от температуры 490[Symbol]500°С с быстрым охлаждением в воде. Затем проводят естественное старение при цеховой температуре в течение четырех суток.
Твердость и прочность дуралюминов примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако, при близких значениях предела прочности алюминиевые сплавы значительно превосходят сталь по удельной прочности (т.е. отношению предела прочности и плотности –Image, где [Symbol] – плотность) т.к. плотность алюминиевых сплавов (2,7г/см3) почти в три раза ниже, чем у стали (7,8г/ см3). Эта характеристика важна в тех случаях, когда важной задачей становится снижение веса изделия. Именно поэтому дуралюмины нашли широкое применение в авиации. Из них изготавливают лонжероны, тяги управления самолетов и т.д., что позволяет снизить вес конструкции. Дуралюмины обладают высокой пластичностью, их выпускают в виде листов, труб, прессованных и катаных профилей.
При использовании дуралюминов следует иметь в виду, что модуль нормальной упругости (Е) этих сплавов значительно ниже, чем у сталей. Эта характеристика материала определяет жесткость конструкции (жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться деформации при нагружении). При одинаковой нагрузке детали из алюминиевых сплавов той же конструкции, что и стальные, будут деформироваться в три раза больше, т.к. величина деформаций обратно пропорциональна модулю упругости. Поэтому алюминиевые сплавы нельзя использовать для тяжело нагруженных изделий.
Коэффициент трения скольжения алюминиевых сплавов значительно выше, чем у сплавов на основе железа и, особенно медных. Это ограничивает возможность их применения для деталей, работающих в парах трения.
Кроме дуралюминов, к деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся также сплав авиаль (АВ), который уступает дуралюминам в прочности, но обладает более высокой пластичностью; высокопрочные сплавы (В95, В96); сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8); жаропрочные сплавы (АК4–1, Д20).
41. Литейные алюминиевые сплавы.
Одно из важнейших требований к литейным сплавам – хорошая жидкотекучесть, которая тем выше, чем ниже температура затвердевания – линия солидус. При самой низкой температуре происходит затвердевание эвтектики. Поэтому литейными являются сплавы, в структуре которых имеется эвтектика (зона В на рис.14.3). Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава, у которых температуры ликвидуса и солидуса совпадают, они кристаллизуются при постоянной температуре, что предотвращает ликвацию. Такие сплавы хорошо заполняют литейные формы, оставаясь в однофазном, жидком состоянии до низких температур.
В качестве литейных могут быть использованы сплавы систем Image, Image, но наиболее широкое применение в промышленности нашли силумины – сплавы алюминия с кремнием, обладающие лучшими литейными свойствами.
Некоторые литейные сплавы можно упрочнить за счет дисперсионного твердения, их подвергают термической обработке – закалке и последующему искусственному старению.
Силумины обозначаются буквами АЛ, после которых указан номер сплава. Марка, как правило, не отражает химического состава сплава, но в некоторых марках приводят буквенное обозначение легирующих компонентов (К – кремний, М – медь, Ц – цинк), цифра после которых указывает их среднее содержание (например, состав сплава АК5М7 – 5%Si, 7%Cu, остальное – Al).
Силумины обладают хорошей жидкотекучестью, что позволяет изготавливать отливки сложной формы, но их механические свойства низкие. Прочность сплава АЛ2 составляет 180МПа, твердость 50НВ; соответствующие характеристики сплава АЛ4 – 260МПа и 75НВ.
Сплав АЛ2 имеет эвтектическую структуру и поэтому наиболее высокие литейные свойства. Этот сплав не подвергается упрочняющей термической обработке и поэтому имеет низкие твердость и прочность. Он используется для изготовления малонагруженных деталей: корпуса приборов, детали авиационных колес, кронштейны и т.д.
Сплав АЛ4 имеет хорошее сочетание литейных и механических свойств. Его можно упрочнить с помощью закалки и последующего
старения. Упрочняющей фазой служит Image. Этот сплав применяют для средних и крупных деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров, блоков и т.д.
По сравнению с широко применяемыми в промышленности в качестве литейных материалов чугунами силумины имеют ряд недостатков: более низкие механические свойства, высокий коэффициент трения, большую литейную усадку, их стоимость в несколько раз выше стоимости чугуна.
42. Полимеры. Строение полимеров.
Полимеры – высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой – 105[Symbol]107. Основа структуры полимеров – макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев – мономеров. В качестве примера приведем полиэтилен. Мономером полиэтилена является молекула этилена С2Н4, при соединении множества мономеров в молекулярную цепь образуется полимер – полиэтилен, его структурная формула – Image (здесь n – количество элементарных звеньев–мономеров, знак « – » означает активную связь; мономер полиэтилена имеет две активные связи). По свойствам полимеры резко отличаются от исходных мономеров. Так этилен, в отличие от полиэтилена, – газ.
Структуры макромолекул могут быть линейными, разветвленными и пространственными (рис.15.1). Истинная, вытянутая длина молекулы весьма велика (так, молекула полистирола, состоящая из 5000 звеньев имеет длину 122000нм; тогда как период решетки [Symbol]–железа – 0,286нм), но из–за наличия витков и петель расстояние между концами молекулы значительно меньше.
Мономеры в макромолекуле связаны между собой сильной ковалентной связью.
У полимеров с линейной и разветвленной структурой связь между макромолекулами обусловлена силами Ван–дер–Ваальса и, таким образом, достаточно слабая. Поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размягчаются, становятся пластичными. Это термопластичные полимеры – термопласты. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.
Полимеры с пространственно замкнутой (сетчатой) структурой образуются мономерами, имеющими более двух активных связей, все звенья структуры в этом случае соединены ковалентными связями. Такие полимеры образуются в две стадии. На первой формируется линейная структура. Пространственная структура возникает на второй стадии в процессе отвердения. Оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивания) между ранее разобщенными макромолекулами. Отверженное состояние полимеров является термостабильным. При нагреве они практически не меняют своих свойств вплоть до температуры, вызывающей деструкцию. Такие полимеры называются термореактивными или реактопластами. В зависимости от количества связей между макромолекулами различают густосетчатые (с большим количеством связей) и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры.
Полимеры с пространственной сеткой всегда имеют аморфную структуру.
Структура линейных и разветвленных полимеров может быть аморфной или кристаллической – с правильным, регулярным расположением макромолекул. Однако, добиться полностью кристаллической структуры полимеров не удается. Степень кристалличности (отношение массы полимера, находящегося в кристаллическом состоянии, к общей массе) не превышает 80%. Это объясняется тем, что в процессе кристаллизации полимера к растущему кристаллу должна присоединиться целая пачка макромолекул (не атом или группа атомов, что характерно для кристаллизации металлов). Поскольку подвижность таких пачек мала, скорость кристаллизации у полимера значительно ниже, чем у металла, и полимеры, в отличие от металлов, легко получают аморфное строение.
Полимеры в зависимости от температуры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии.
Стеклообразное состояние характеризуется только колебательным движением атомов, входящих в состав молекулярной цепи, около положения равновесия; движения звеньев (мономеров) и перемещения макромолекул не происходит.
Такое состояние возможно для всех полимеров.
Высокоэластичное состояние присуще только полимерам с большим количеством элементарных звеньев (высокополимерам), макромолекулы которых скручены, имеют витки, петли. Оно характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках. Это связано с тем, что в результате теплового движения происходят колебательные перемещения звеньев, а макромолекулы приобретают способность изгибаться, распрямляться, т.е. вытягиваться под нагрузкой.
Такое состояние может быть у термопластов и редкосетчатых реактопластов.
В вязкотекучем состоянии взаимную подвижность получают целые макромолекулы. Они смещаются друг относительно друга не одновременно, а постепенно, поэтому полимер переходит не в жидкое, а в вязкотекучее состояние.
Такое состояние возможно только для термопластов. Для реактопластов оно невозможно, из–за наличия ковалентных связей между макромолекулами, препятствующих их относительному перемещению.
Реакции образования полимеров.
Процесс, при котором происходит многократное соединение мономеров одного состава, называется полимеризацией (так получают полиэтилен). Реакция соединения мономеров неодинакового состава называется сополимеризацией. Примером сополимеризации может служить образование винипласта – поливинилхлорида Image.
При полимеризации (сополимеризации) состав мономера (мономеров) и получающегося полимера одинаков, молекулы мономеров соединяются без образования побочных продуктов.
Поликонденсация – это реакция между химически активными группами разного состава, приводящая к образованию нового вещества, состав которого отличается от исходных мономеров. Активные группы образуются в результате отделения какого–либо атома или иона от исходной молекулы мономера. При прохождении этой реакции из отделившихся от мономеров атомов или ионов образуются побочные низкомолекулярные продуктов, затрудняющие синтез. Поэтому их необходимо удалять из системы в процессе синтеза. Принципиально схема поликонденсации выглядит следующим образом: Image, где XY – побочный низкомолекулярный продукт.
Реакцией поликонденсации образуется нейлон. Исходные мономеры – адипиновая кислота и гексаметилендиамин, низкомолекулярный побочный продукт – вода.
Ступенчатая полимеризация. Активные группы образуются за счет перемещения атома или группы атомов (наиболее часто атома водорода) от одной молекулы мономера к другой. В результате этого образуются активные группы, которые на следующей стадии объединяются, образуя полимер. Побочных продуктов при этом не образуется и, таким образом, состав полимера соответствует составу исходных мономеров. Таким образом получают термореактивный эпоксид.
Получение термопластов возможно реализацией всех рассмотренных реакций, реактопластов – поликонденсацией или ступенчатой полимеризацией.
50. Методы определения твердости металлов и сплавов.
|
Скачать 4.93 Mb.