Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
+ ββββ′ ), наприклад, ЛЦ40С1. фаза є упорядкованим твердим розчином на основі хімічної сполуки CuZn. Для двофазних латуней характерна більш висока міцність, ніж для однофазних, але менша пластичність у зв’язку із наявністю ββββ′ -фази. Присутність у двофазних латунях крихкої ββββ′′′′ -фази погіршує їх деформацію в холодному стані, тому такі латуні пластично деформують лише при високих температурах, коли фаза перетворюється у більш пластичну фазу із відсутнім упорядкуванням в кристалічній гратці ( ββββ - невпорядкований твердий розчин на основі CuZn). Однофазні латуні виробляють в основному у вигляді холоднокатаних напівфабрикатів: смуг, стрічок, дроту, листів, з яких виготовляють шайби, труби, кільця тощо. Двофазні латуні виробляють у вигляді гарячекатаних напівфабрикатів: листів, дроту, труб. Вони застосовуються для виготовлення втулок, фланців, штуцерів тощо. Рисунок 11.1 – Діаграма стану Cu-Zn (а) та вплив цинку на властивості сплавів (б) Спеціальні латуні, леговані свинцем, оловом, алюмінієм, залізом, нікелем, кремнієм, широко застосовують у суднобудуванні. Багатокомпонентні алюмінієві латуні зміцнюють гартуванням та старінням; після термічної обробки В може досягати МПа (у порівнянні з 250...400 МПа до термічної обробки). Кремнисті латуні мають високу міцність, пластичність та в’язкість до мінус С. Бронзи - це сплави міді з різними елементами (олово, алюміній, свинець, нікель, берилій). Цинку бронзах може бути присутній як легувальний елемент. Бронзи поділяють на ливарні та деформівні. Їх позначають літерами Бр, після чого вказують літери та цифри, що 117 визначають вміст легувального елемента у процентах. Так, деформівна бронза БрОЦС4-4-2,5 містить 4% олова, 4% цинку, 2,5% свинцю. У ливарних бронзах вміст кожного легувального елемента позначається безпосередньо після літери, що відповідає цьому елементові. Наприклад, бронза БрО6Ц6С3 містить 6% олова, 6% цинку, 3% свинцю , решта – мідь. Олов’янібронзи. Гранична розчинність олова в міді дорівнює 15,8%. Однак унаслідок схильності стопів Cu-Sn до нерівноважної кристалізації область α αα α -твердогорозчину значно звужується. У зв’язку з цим при концентрації олова більш ніж 8% в структурі сплавів присутня фаза (електронна сполука Cu 31 Sn 8 ), що має високу твердість та крихкість (рис. 11.2). Тому практичне застосування мають бронзи з вмістом олова до 10% (БрОЦ4-3, БрОФ10-1), оскільки поява δδδδ -фази значно знижує пластичність. Додатковими легувальними елементами волов яних бронзах є цинк, свинець, фосфор, нікель, залізо та інші. Цинк покращує рідкотекучість, міцність та густину відливок. Легування свинцем знижує механічні властивості, але підвищує густину відливок та поліпшує обробку різанням. Фосфор розкислює мідь, підвищує міцність, границю витривалості, рідкотекучість та зносостійкість бронз. У сплавах мідноолов’яних на відміну від сплавів мідноцинкових унаслідок більшого інтервалу кристалізації (див. рис. 11.1 та 11.2) спостерігається значна дендритна ліквація. Олов’яні ливарні бронзи використовують для складного фасонного литва, шестерен, втулок, гайок, ходових гвинтів, корпусів кранів, черв’ячних колес, арматури для водяних та парових систем. Деформівні бронзи застосовуються для виготовлення сіток целюлозопаперової промисловості, стрічок, смуг, пружинного дроту, трубок. Рисунок 11.2 – Діаграма стану Cu-Sn (штрихові лінії для нерівноважної кристалізації) У промисловості використовуються також алюмінієвібронзи (БрА5, БрАЖН10-4-4), що мають високі механічні, антикорозійні та антифрикційні властивості. БрАЖН10-4-4 використовується для виготовлення деталей, що працюють в умовах підвищених температур С. Кремнієві бронзи (БрКМц3-1) характеризуються добрими механічними, пружними та антифрикційними властивостями. Берилієві бронзи (БрБ2) мають високі границі міцності, плинності та пружності, значний опір корозії, обробляються різанням і зварюються. Алюмінієві, кремнієві та берилієві бронзи зміцнюють гартуванням та старінням. Наибільш високу міцність після термічної обробки набувають берилієві бронзи (до 950 МПа у нагартованому стані). 119 11.1.2 Алюмінієвісплави Температура плавлення алюмінію складає С. Він має невелику густину (2700 кг/м 3 ). Кристалічна гратка алюмінію - ГЦК. Для нього властиві добрі електро- та теплопровідність, високі показники пластичності та корозійної стійкості внаслідок утворення на поверхні щільної плівки Al 2 O 3 Сплави алюмінію набули широкого застосування завдяки високій питомій міцності (В. Більшість з них мають високу корозійну стійкість, здатність протистояти інерційним та динамічним навантаженням та добру технологічність. Алюмінієві сплави класифікують за технологією виготовлення (деформівні, ливарні, спечені) та здатністю до термічної обробки ( зміцнювані і ті, що не зміцнюються термічною обробкою). Основними легувальними елементами алюмінієвих сплавів є мідь, магній, кремній, марганець, інколи – нікель, титан, хром, цинк. Багато легувальних елементів утворюють із алюмінієм тверді розчини обмеженої розчинності та проміжні фази типу CuAl 2 , Mg 2 Si, тому алюмінієві сплави можна зміцнювати термічною обробкою (гартування з наступним старінням). Деформівні алю мін ієві спла ви. До сплавів, що не зміцнюються термічною обробкою, належать сплави АМц системи Al- Mn (їх структура складається з твердого розчину та фази MnAl 6 ) та сплави АМг системи Al-Mg (структура - α αα α -твердий розчин та Mg 2 Al 3 ). Сплави АМц та АМг зміцнюють за допомогою пластичної деформації та використовують у наклепаному чи відпаленому стані для рам вагонів, кузовів автомобілів та інших виробів, що виготовляються глибокою витяжкою та зварюванням. До сплавів, що зміцнюються термічною обробкою, належать авіалі марки АВ, АД, ковочні сплави (АК8), високоміцні (В, однак найбільш поширеними є дюралюміни - сплави системи Al-Cu-Mg. За міцністю дюралюміни (що маркуються буквами Д, ВД, ВАД) поділяють на сплави нормальної міцності (Д, підвищеної міцності Д, підвищеної жароміцності (ДІ9, ВАД1, ВД17), підвищеної пластичності (ДІ8). Цифри вказують на умовний номер сплаву. Термічна обробка для зміцнення сплавів складається з гартування та старіння. Нагрівання при гартуванні ведеться до температури повного розчинення інтерметаліду CuAl 2 , (рис. З, вище лінії kf). При нагріванні до цієї температури значно зростає концентрація міді в твердому розчині (при С - 0,1%, при С - 5,65%). При наступному швидкому охолодженні у воді фіксується пересичений міддю α αα α -твердий розчин. Під час старіння розпад пересиченого твердого розчину відбувається в декілька стадій в залежності від температури та тривалості. Якщо старіння ведеться при кімнатній температурі, то воно зветься природним, а якщо при підвищених температурах - штучним. В інтервалі температур старіння Св ГЦК кристалічній гратці на площинах (100) утворюються двовимірні диски, збагачені атомами міді - зониГіньє-Престона(ГП). Природне старіння завершується утворенням зон ГП-1. Нагрівання при С веде до утворення зон ГП-2. Вони мають упорядковану структуру, на відміну від структури твердого розчину, та підвищену концентрацію міді. Старіння при С веде до утворення в місцях розташування зон ГП-2 метастабільної θθθθ′′′′ -фази. Вона відрізняється від стабільної θθθθ -фази (CuAl 2 ) когерентним зв’язком із матрицею. При підвищенні температури до С когерентний зв’язок порушується, спотворення кристалічної гратки зменшується і θθθθ′′′′ - фазаперетворюється в фазу. Старіння при 250...300 С викликає коагуляцію частинок θθθθ -фази (перестарювання). Рисунок 11.3 – Діаграма стану системи Al-Cu Після утворення зон ГП-1 та ГП-2 (зонне старіння) сплави мають підвищену пластичність, корозійну стійкість, задовільні значення границь міцності та плинності (В. Утворення θθθθ′′′′ та фаз ( фазове старіння) сприяє підвищенню міцності, зниженню пластичності, в’язкості та корозійної стійкості. Ця загальна схема розпаду пересиченого твердого розчину в сплавах Al-Cu справедлива і для інших алюмінієвих сплавів, однак у деяких із них стабільні фази виникають безпосередньо із зон Гіньє-Престона. Дюралюміни широко використовуються в авіації для виготовлення лопастей повітряних гвинтів, тяг управління, шпангоутів, кузовів автомобілів, будівельних конструкцій. Ливарніал юмінієвісплав и. Евтектичні сплави мають добрі ливарні властивості - високу рідкотекучість, невелику усадку, малу здатність до утворення гарячих тріщин та зональної ліквації, високу герметичність. Ливарні алюмінієві сплави маркуються літерами АЛ (алюмінієвий, ливарний) та цифрами (умовний номер, наприклад, АЛ2, АЛ17, АЛ29. 122 Найкращими ливарними властивостями відзначаються силуміни- сплави системи Al-Si. Використовуються як подвійні, так і леговані силуміни. Для їх легування використовують магній, мідь, марганець, інколи – титан, нікель, цирконій, хром. Утворюючи тверді розчини з алюмінієм, легувальні елементи підвищують міцність та твердість силумінів. У легованих силумінах утворюються фази Mg 2 Si, CuAl 2 , Al 2 Ti та інші. Відливки із подвійних силумінів відпалюють для зняття напружень. Підвищення механічних властивостей цих сплавів досягається модифікуванням (сплав АЛУ сплавах без модифікування в структурі присутні кристали крихкого кремнію, що знижує міцність та пластичність. При введенні модифікатора - натрію (0,06%, як правило, вводиться у вигляді хлористих та фтористих солей) евтектична концентрація зміщується від 11,6 до 14 %Si, тому замість ββββ -фази ( кремній) при кристалізації утворюються пластичні кристали α αα α -фази рис. 11.4). Підвищення міцності та пластичності повязано із подрібненням евтектики при модифікуванні. Наприклад, внаслідок модифікування сплаву АЛ2 міцність зростає зі 130 до 200 МПа, границя плинності – із 20 до 80 МПа, відносне видовження - від 2 до 7%. Нм е од ф и і к . М о д и ф ік . Рисунок 11.4 - Діаграма стану Al-Si (штрихові лінії - для стопів після модифікування) Для легованих силумінів окрім модифікування застосовують і термічну обробку (гартування та старіння) для зміцнення сплавів. Фази, що зміцнюють сплавів: Mg 2 Si, CuAl 2 , Al 2 CuMg тощо. Силуміни використовують для одержання відливок деталей із застосуванням литва під тиском, в землю чи кокіль (деталі карбюраторів, приладів, толоки, корпуси та деталі двигунів, компресорів тощо). 11.1.3 Сплавинаосновітитану Титан має дві поліморфні модифікації: до С - α αα α -Ті з ГЩП кристалічною граткою, вище С - ββββ -Ті з ОЦК граткою. Його температура плавлення складає С. Густина титану становить 4500 кг/м 3 . Міцність титану 300...550 МПа, пластичність 20...25 %. Чим більше він містить домішок, тим вища міцність і нижча пластичність, корозійна стійкість, зварюваність. Технічний титан маркують ВТ, ВТ. На поверхні титану легко утворюється стійка оксидна плівка, тому титан має високу корозійну стійкість у прісній та морській воді і деяких кислотах (H 2 SO 4 , HCl), погано обробляється різанням. Титанові сплави порівняно з алюмінієвими та магнієвими мають більшу питому міцність, жароміцність та корозійну стійкість. Працюють до температур С. Основними легувальними елементами титанових сплавів є алюміній, молібден, ванадій, марганець, хром, олово, кремній, цирконій, 124 ніобій, залізо. За своїм впливом на температуру поліморфного перетворення легувальні елементи поділяються на α αα α -стабілізатори (алюміній, кисень, азот, цинк - розширюють область, ββββ -стабілізатори (молібден, ванадій, марганець, хром, залізо - розширюють область) та нейтральні (олово, цирконій, гафній, германій мало впливають на α αα α→ → → →ββββ перетворення). Майже у всіх промислових сплавах титану присутній алюміній, тому що він знижує здатність до водневої крихкості, підвищує окалиностійкість, модуль пружності та характеристики міцності (до 6...8%). Більшість ββββ -стабілізаторів підвищують міцність, жароміцність, термічну стабільність, дещо зменшують пластичність. За технологією виготовлення титанові сплави поділяють на деформівні та ливарні. Маркуються літерами ВТ, ОТ, АТ (наприклад ВТ, ОТ, АТУ ливарних сплавах додасться літера Л (ВТ5Л), цифра вказує на умовний номер. За структурою у відпаленому стані розрізняють α αα α , псевдо- α αα α , ( α αα α + ββββ )-, псевдо- ββββ - та ββββ -сплави. До α αα α -сплавів належать сплави титану з алюмінієм, а також сплави, додатково леговані оловом чи цирконієм. Псевдо- α αα α -сплавимають переважно структуру та невелику кількість ββββ - фази (до 8%) внаслідок додаткового легування ββββ -стабілізаторами (марганець, ванадій, ніобій, молібдентацирконій). Двофазні ( α αα α + ββββ ) сплави леговані алюмінієм та ββββ -стабілізаторами і в стабільному стані мають від 5 до 30% ββββ -фази. У відпаленому стані мають гарне співвідношення міцності і пластичності, їх можна зміцнювати термічною обробкою. Однофазні ββββ -сплави мають знижену питому міцність, бо до їх складу входять ванадій, молібдентатантал в значній кількості (до 33%), мають високу корозійну стійкість і технологічну пластичність. Псевдо- ββββ -сплави мають структуру з невеликою кількістю α αα α - фази. Для легування використовують молібден, ванадій, хром, цирконій (сумарна кількість легувальних елементів складає приблизно 20%). Міцність таких сплавів досягає 1000 МПа. Титанові сплавив основному піддають відпаленню, гартуванню та старінню, а також хіміко-термічній обробці. Термічна обробка для зміцнення (гартування та старіння) застосовується для сплавів з ( α αα α + ββββ ) структурою. При гартуванні сплави нагріваються до Ста охолоджуються у воді. При цьому фаза перетворюється в α αα α - (чи α αα α′′′′ -) фазу за мартенситним механізмом. У процесі старіння сплавів (при 125 С) відбувається їх зміцнення, зумовлене розпадом фаз, що утворились при гартуванні, з появою більш дисперсної структури. Міцність сплаву ВТІ6 (1,6...3,8 А, 4,0...5,0 %V, 4,0...5,5 %Mo) після термічної обробки досягає 1250...1450 МПа. Деталі з титанових сплавів азотують при С з метою підвищення зносостійкості, міцності до втоми. Титанові сплави широко використовуються в авіації, реактивній техніці, хімічній промисловості. У високошвидкісних літаках кількість деталей з титанових сплавів досягає декількох тисяч. Застосовуються титанові сплави також і в криогенній техніці, тому що вони зберігають пластичність при температурах (С жароміцні сплави працюють до температур СВ суднобудуванні сплави використовують при виготовленні обшивки корпусів підводних човнів і морських судин, гребних гвинтів. 11.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Описати структуру, маркування, основні властивості та застосування сплавів на основі міді, алюмінію та титану. 11.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленості до лабораторноїроботи 11.3.1. Маркування латуней, їх застосування. 11.3.2. Охарактеризувати пластичність та міцність латуней. 11.3.3. Бронзи, особливості їх структури та застосування. 11.3.4. Які деформівні алюмінієві сплави зміцнюються термообробкою ? 11.3.4. Що відбувається під час старіння алюмінієвих сплавів ? 11.3.5. Які сплави алюмінію мають високі ливарні властивості ? 11.3.6. Сплави титану. Принципи легування. 11.3.7. Які переваги та недоліки мають сплави титану порівняно із сталями та алюмінієвими сплавами ? 11.4 Матеріалитаобладнання Робота виконується з використанням зразків сплавів Л, ЛЦ40С1, БрОФ10-1, ДАЛ, ВТ та деталей з алюмінієвого та титанового сплавів. Для вимірювання твердості використовується прилад ТК-2, для вивчення мікроструктури - мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7. 126 11.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 11.6 Порядоквиконанняроботи Визначити твердість (HRB) зразків сплаву Д до термічної обробки, після гартування від температури (Су воді та старіння при 100, 200 та С з витримкою 15, 30 та 45 хвилин. Дані занести в таблицю 11.1. Вивчити мікроструктуру зразків кольорових сплавів. Таблиця 11.1 - Вплив гартування та старіння на твердість сплаву Д Твердість, HRB, після старіння з витримкою, хв. Сплав Почат тверд іс ть , Температура га рт, °С Ча с наг р ів ., о холод ж сер ед о в и щ е Тверд іс ть п іс ля га рт, Температура стар ін н я , С 30 45 100 200 Д 500 20, вода 300 11.7 Змістзвіту Загальні відомості згідно завдання, рисунки 11.1–11.4, мікроструктури, табл. 11.1, висновки. 11.8 Рекомендованалітература [ 1 ] , с. 241-260; [ 2 ] , с. 273-300; [ 4 ] , с. 564-611; [ 5 ] , с. 332-353, 359-370; [ 6 ] , с. 232-242. |