мв. 2. Виды сплавов. Свойства сплавов

• Название: 2. Виды сплавов. Свойства сплавов
• Дата: 15.12.2019
• Размер: 40.89 Kb.
• Имя файла: мв.docx
• Тип: Документы; #100373

Содержание


1.Сплав.

2.Виды  сплавов.

3.Свойства  сплавов.

4.Сталь

5. Жаропрочные стали  и сплавы.

6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

7. Список использованной литературы


1. Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов  с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят  из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).
Сплавы являются одним из основных конструкционных  материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа  и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов 

2. Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых, но и порошки  химических соединений. Например, основными компонентами твердых сплавов являются карбиды или Титана.

По способу получения  заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы. В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твердый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды …) и кристаллиты простых веществ. 

3.Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

4.Сталь (от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в  сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое  применение в машиностроении и приборостроении. В машиностроении их используют для  изготовления рессор, амортизаторов, силовых  пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры  машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием  форм, размеров, различными условиями  работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью. 

5. Жаропрочность — это сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительной нагрузке. При повышении температуры силы межатомных связей ослабевают, и металлы разрушаются при напряжениях более низких, чем при комнатной температуре. Разрушение происходит в результате ползучести. Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести. Напомним, что ползучесть развивается при рабочей температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и напряжении выше предела текучести. Таким образом, жаропрочность тем выше, чем выше температура рекристаллизации Тр, которая, в свою очередь, зависит от температуры плавления металла Тм. Таким образом, повышение жаропрочности достигается применением металлов с высокой температурой плавления (тугоплавких), а также сплавов — за счет увеличения коэффициента.Высокие значения а (0,6…0,8)  характерны для твердых растворов. При этом аустенитные стали, и сплавы обладают большей жаропрочностью, чем ферритные, так как температура рекристаллизации выше у сплавов с ГЦК, а не с ОЦК решеткой. Более высокой жаропрочностью обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен, потому что именно на границах зерен скапливается большое количество дефектов, что делает их наиболее ослабленными участками в металле. Кроме того, по границам развивается процесс ползучести в результате перемещения одного зерна относительно другого. 

Для сплавов, предназначенных  для краткосрочной эксплуатации, оптимальной является структура, обеспечивающая наибольшую прочность. Это структура, состоящая из твердого раствора и упрочняющих дисперсных частиц второй фазы. Структура сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации, должна быть однофазной. Жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение при определенной температуре за данный отрезок времени. 

В качестве жаропрочных материалов используют:

• стали  на основе Fea для работы при температурах до 600°С; аустенитные стали на основе FeY, легированные никелем (около 18%), для работы при температурах до 850°С;

• сплавы на основе никеля или железо-никелевые для работы при температурах до 950 °С.

Для работы при температурах около 600°С и длительности работы 10000….100000ч используют низкоуглеродистые стали, в небольших количествах (до 1%) легированные хромом, молибденом и ванадием (12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ), их используют для деталей котельного оборудования (паропроводы, крепеж и т.п.). Применяются также стали с содержанием углерода около 0,4%, легированные хромом и кремнием, — сильхромы (40Х9С2, 40Х10С2М). Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния. Сильхромы используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. 


6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами 

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами условно можно разделить на следующие группы: магнитныестали и сплавы; немагнитные  cтали и сплавы; стали и сплавы с высоким электросопротивлением; сплавы с особенностями теплового расширения; сплавы с высокими упругими свой­ствами; криогенные и термобиметаллы.

 

Сталь электротехническая тонколистовая — один из наиболее широ­ко используемых магнитно-мягких материалов. Она предназначена для из­готовления деталей магнитных цепей электротехнических машин, аппара­тов и приборов, которые работают в переменных магнитных полях. Допол­нительная работа, затрачиваемая на перемагничивание магнитопроводов, должна быть минимальной, так как она обусловливает потерю мощности и снижает коэффициент полезного действия машин. Электротехническая стал должна иметь малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницае­мость, следовательно, малые гистерезисные потери. Важно также, чтобы потери на вихревые токи в сердечнике были малы, для этого нужно повы­сить электросопротивление стали, что достигается легированием ее крем­нием. Чтобы уменьшить эти потери, детали машин и трансформаторов из­готавливают из тонких листов, покрытых электроизоляционным покрыти­ем. Уменьшению гистерезисных потерь способствует чистота стали по не­металлическим включениям и увеличение размера зерна. Однако, при очень крупном зерне возникают большие потери на вихревые токи.

При использовании в мощных силовых трансформаторах сталь должна иметь минимальные удельные потери и высокую индукцию в сильных по­лях. Применение стали в трансформаторах для автоматики и телефонии требует высокой проницаемости в слабых полях и при подмагничивании постоянным током. Хорошую штампуемость наряду с высокими магнитны­ми свойствами должна иметь сталь, применяемая в мелких специальных электрических машинах. Двигатели и генераторы повышенных частот (от 400 до 25000 Гц и выше), а также различные трансформаторы в радиотех­нических и радиолокационных установках требуют применения стали с особо высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. В этих случаях применяют ленты толщиной 0,05—0,20 мм вместо листов обычной толщи­ны (0,27—0,50 мм). Для стали, применяемой в трансформаторах тока, важ­ны высокие свойства в широком диапазоне величин индукции.

 

Большое значение имеет анизотропия магнитных свойств. Для сердеч­ника трансформатора достаточно иметь лист с высокими магнитными свой­ствами в одном направлении, так как в этом случае можно соответственно набирать магнитопровод; для генераторов и других аппаратов с разветвлен­ным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной. Анизотропия свойств определяется кристаллографической текстурой. Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная обла­дает ребровой текстурой (текстурой Госса) {110}<001>. Ось легчайшего на­магничивания в ней направлена вдоль направления прокатки в листе, и сборку сердечника трансформатора осуществляют таким образом, чтобы направления <001> и магнитного потока в сердечнике совпадали. Сталь без текстуры называется изотропной.

К электротехническим сталям предъявляются определенные требова­ния по пластичности, оцениваемой путем гибов листа. При изготовлении магнитопроводов листы подвергают штамповке, поэтому хрупкость метал­ла недопустима. Весьма важное значение имеют внешние параметры листа — разнотолщинность, волнистость и коробоватость. Конкретные требова­ния по этим параметрам оговариваются в стандартах.

Широкий круг сплавов с особыми физическими свойствами состав­ляют сплавы прецизионные, в которых необходимый комплекс свойств определяется точным химическим составом, чистотой сплава от включе­ний и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления.

 

Магнитно-мягкие стали и сплавы отличаются легкой намагничиваемостью в относительно слабых магнитных полях. Их основными потребительскими свойствами являются высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери на вихревые токи и при перемагничивании. Эти свойства обеспечивает гомогенная (чистый металл или твердый раствор) структура, чистая от примесей. Магнитно-мягкие материалы должны быть полностью рекристаллизованы для устранения внутренних напряжений, так как даже слабый наклеп существенно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Магнитная проницаемость возрастает при микроструктуре из более крупных зерен.

По   химическому   составу   промышленно   применяемые   магнитно-мягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

• 
  низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;
  
• 
  сплавы железа с никелем.
  

В низкоуглеродистых сталях кремний, образуя с a-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того. кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3...4%.

Железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36...83%, называемые пермаллои, обладают наиболее высокими потребительскими свойствами. Для улучшения тех или иных характеристик в их состав вводят хром, молибден, медь и др. Величина их магнитной проницаемости превосходит аналогичные показатели для низкоуглеродистых сталей в 15-10³ раз. Пермаллои - легко деформируемые сплавы. Однако деформация значительно ухудшает их первоначальные магнитные характеристики. Для восстановления свойств проводят термообработку по строго разработанному режиму: скорость нагрева (до 900...1000°С), выдержка и скорость охлаждения. Применяют их в аппаратуре, работающей в слабых частотных полях (телефон, радио).

Для электротехнических сталей (ГОСТ 21427-75) принята маркировка, основаная на кодировании. В обозначении марки используют четыре цифры, причем, их значения соответствуют кодам, содержащим следующую информацию:

• 
  первый - структура материала (по наличию и степени текстуры) и вид прокатки (горячая или холодная деформация);
  
• 
  второй - химический состав по содержанию кремния;
  
• 
  третий - величины потерь тепловых и на гистерезис;
  
• 
  четвертый - значение нормируемого потребительского свойства.
  

Электротехнические стали изготавливают в виде рулонов, листов и резаной ленты. Они предназначены для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока, якорей и полюсов электротехнических машин, роторов, статоров, магнитных цепей трансформаторов и др. Парамагнитными сталями являются аустенитные стали 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 55Г9Н9ХЗ, 40Г14Н9Ф2 и др. Их химический состав базируется на системе Fe + Cr + Ni -r Ti. Основными потребительскими свойствами являются немагнитность и высокая прочность. Необходимая прочность достигается при деформационном и дисперсионном упрочнении изделий. К недостаткам этих сталей и сплавов следует отнести низкий предел текучести (150...350 МПа), что ограничивает область применения только малонагруженньгми конструкциями.

Парамагнитные стали и сплавы применяют для изготовления немагнитных деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2 и др.)

 

Магнитно-твердые сплавы обладают высокой магнитной энергией и в соответствии с главными областями их применения подразделяются на 4 группы :

сплавы для постоянных магнитов;

для активной части ро­торов гистерезисных электродвигателей;

для элементов памяти систем управления автоматизации и связи;

для носителей магнитной записи ин­формации.

 

Постоянные магниты используют для создания заданной напряжен­ности магнитного поля или заданного магнитного потока в определенном рабочем пространстве. Магнитное состояние сплавов для постоянных маг­нитов описывается параметрами кривой размагничивания предельного гистерезисного цикла. Максимальная энергия постоянного магнита, которую можно получить для данного материала определяется максимальным про­изведением (ВН)_maхиз этой кривой. При определенных значениях В_rи Н_с произведение (ВH)_mах тем больше, чем больше выпуклость петли гистере­зиса от B_r   до Н_с. Эта выпуклость определяется отношением (ВH)_mах /B_rH_c. Поэтому в стандартах и технических условиях, кроме В_r и Н_с, оговаривают также (ВН)_mах. Повышение выпуклости достигают созданием одноосной анизотропии, при которой направление легкого намагничивания по воз­можности совпадает с тем направлением постоянного магнита, вдоль ко­торого он намагничен. Реализация такого совпадения возможна только для некоторых сплавов. Деформируемые сплавы для постоянных магнитов со­зданы на основе большого количества систем (Fe—Со—Ni—Al, Fe—Ni—ΑΙ, Fe—Сr— Со, Fe—Со—V и т.д.) и отличаются один от другого природой маг­нитного твердения, сочетанием магнитных свойств, степенью технологич­ности при изготовлении, механической обрабатываемостью и т.д.

 

В роторах гистерезисных электродвигателей магнитно-твердые сплавы .используются для создания крутящего момента роторов и работают в пере­менном магнитном поле, напряженность которого составляет от 1,6 до 32 кА/м в зависимости от конструкции и назначения двигателя. Магнитное состояние таких сплавов характеризуется полной рабочей петлей гистере­зиса, имеющей вершину в точке максимальной проницаемости (Н_μmах В_μmах).При расчете и конструировании двигателей используются зависимости ги­стерезисных параметров от намагничивающего поля и индукции, а также данные о ТКЛР и удельном электросопротивлении сплава для согласова­ния магнитно-твердого материала (активной части ротора) с конструктив­ными элементами ротора и правильного учета используемых и вредных потерь на вихревые токи. Сплавы для гистерезисных двигателей можно разделить на 2 подгруппы: сплавы систем Fe—Со—V, Fe—Со—Ni—V и Fe—Со—Cr—V для шихтованных роторов и сплавы систем Fe—Cr—Wи Fe—Со—W—Mo для сплошных роторов.

 

Сплавы для элементов памяти систем управления, автоматизации и связи используют в качестве так называемых полупостоянных или пере­менных магнитов, подвергаемых в процессе эксплуатации большому числу циклов перемагничивания (10⁹—10¹⁰). Магнитное состояние таких материа­лов изменяется под воздействием кратковременных изменений тока в уп­равляющих катушках и описывается параметрами полной рабочей петли гистерезиса, соответствующей принятой стандартной максимальной напря­женности намагничивающего поля Н_maх, равной 8 или 16 кА/м. Основны­ми магнитными характеристиками таких сплавов при указанном Н_maхявля­ются: заданное в интервале от 1,5 до 5 кА/м значение коэрцитивной силы, высокие значения остаточной индукции и коэффициента прямоугольности, с которым связано малое время перемагничивания порядка микросе­кунд. Специфика требований, предъявляемых к материалам этого назначе­ния, обусловила выделение их в особую группу полутвердых магнитных сплавов. Магнитные свойства всех магнитно-полутвердых сплавов форми­руются в процессе холодной деформации с высокой степенью обжатия более 80 % и последующего отпуска в интервале 500—700 °С. Сплавы поставляют в холоднодеформированном состоянии. Операции, необходимые для изго­товления деталей, проводятся до отпуска, так как после него сплавы теряют пластичность и их твердость увеличивается. Сплавы для элементов памяти можно разделить на две подгруппы: а) сплавы на основе систем Fe—Со—Сr и Fe—Ni (для элементов с внешней памятью); б) сплавы на основе системы Fe—Со—Ni (для элементов с внутренней памятью).

 

Материалы для носителей магнитной записи в виде проволоки диа­метром 0,02—0,05 мм и ленты толщиной 0,01—0,02 мм используются для записи и воспроизведения как гармонических сигналов (звука), так и им­пульсных (закодированной информации). Во время записи магнитное со­стояние сплавов формируется под воздействием периодических магнитных полей записывающей головки при одновременном высокочастотном подмагничивании или под воздействием импульсных магнитных полей при подмагничивании постоянным полем. В результате таких воздействий про­исходит локальное перемагничивание материала на глубину, зависящую от напряженности действовавших полей и длины волны записываемых сигна­лов. Поэтому рабочее состояние носителя неоднородно и характеризуется набором значений остаточной намагниченности, соответствующих различ­ным гистерезисным циклам.

 

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расшире­ния (ТКЛР) используют для спаев металла с неорганическим диэлектри­ком в конструкциях электровакуумных, газоразрядных и полупроводнико­вых приборов, для деталей измерительных приборов, для бескомпенсаци­онных трубопроводов для перекачки сжиженных газов. Сплавы обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью при заданном значе­нии ТКЛР. Их классифицируют с учетом их магнитных свойств (ферромаг­нитные сплавы и немагнитные) и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие). Ферромагнитные сплавы составляют большую часть номенклатуры сплавов с заданным тепловым расширением. Эти сплавы являются двойными или сложнолегированными на железоникелевой осно­ве, что связано с наличием в системе Fe—Ni области, в которой сплавы обладают резко выраженной аномалией теплового расширения и рядом других свойств. В области содержания никеля 36—60 % в зависимости от концентрации сплавы могут иметь ТКЛР от 1 · 10^-6 до 11,5 · 10^-6 К^-1, т.е. температурный коэффициент увеличивается более, чем в 11 раз. Мини­мальное расширение соответствует сплаву, содержащему 36 % Ni. Этот сплав назван инваром.

Кроме ферромагнитных сплавов аустенитного класса со средним по величине ТКЛР, производятся также ферритные сплавы на основе систе­мы Fe—Сr. Легирование в этом случае проводят для стабилизации α-фазы в области температур соединения сплава со стеклом. Сплавы системы Fe—Сr имеют ТКЛР порядка 11 · 10^-5 К^-1 до 580 °С.

Немагнитные сплавы с низким и средним ТКЛР разработаны на ос­нове хрома с небольшими легирующими добавками железа, кобальта, мар­ганца и других элементов. Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, твердостью, однако они имеют низкую пластичность. Сплавы на основе хрома имеют ТКЛР от 1 до 6 · 10^-6 К^-1 в интервале температур не выше 100 °С. Немагнитные сплавы со средним ТКЛР разработаны также на основе систем Ni—W, Ni—Mo.

 

Сплавы с заданными свойствами упругости  должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стой­костью в условиях статического и циклического нагружения. К ним предъяв­ляются требования по ряду свойств: высокий или, наоборот, низкий мо­дуль упругости, низкий температурный коэффициент модуля упругости или частоты, высокая добротность, малый упругий гистерезис и упругое пос­ледействие, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, немагнитность, электропроводность, износостойкость, а также стабильность этих характеристик при температурах эксплуатации. Они должны обладать технологической пластичностью для получения упругих элементов задан­ной конфигурации и свариваемостью. Сплавы применяют в качестве пру­жин и пружинных элементов, упругочувствительных элементов измеритель­ных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора, генерирования и настройки на заданную частоту.

 

Сплавы прецизионные сверхпроводящие  предназначены для работы только при низких температурах и характеризуются определенным комплексом тепловых, электрических, магнитных и механических свойств при этих тем­пературах. В этом комплексе для конкретной группы сплавов выделяют доминирующий и сопутствующие параметры.

 

Сплавы прецизионные с высоким электрическим сопротивлением  облада­ют сочетанием высокой жаростойкости с высоким удельным электричес­ким сопротивлением, в ряде случаев низким и регулируемым температур­ным коэффициентом электросопротивления и применяются в качестве та­рированных сопротивлений в радиоэлектронике, термо- и тензодатчиков для аппаратуры, регистрирующей и управляющей тепловыми и механичекими нагрузками, нагревательных элементов в промышленных печах, в приборах бытовой техники. Важными характеристками являются колебание электрического сопротивления по длине и срок службы в интервале рабо­чих температур. Соблюдение технологии изготовления сплавов контроли­руется испытанием на живучесть (ГОСТ 2419—78), которое заключается в циклическом нагреве электрическим током (нагрев 2 мин, охлаждение 2 мин) проволочных образцов диаметром 0,8 мм до заданной температуры. Термобиметаллы представляют собой материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными ТКЛР, сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения, и применяются для автоматичес­кого регулирования заданной нагрузки и температуры в различного рода компенсационных устройствах, терморегуляторах, а также в приборах бы­товой техники. Основным свойством термобиметаллов является термочув­ствительность, т.е. способность изгибаться при изменении температуры. Термочувствительность термобиметаллов пропорциональна разности ТКЛР составляющих и характеризуется величиной удельного изгиба — изменени­ем кривизны термобиметаллической пластинки единичной толщины при изменении температуры на 1 К. Другой характеристикой термочувствитель­ности, применяемой для ленты толщиной 0,3 мм и менее, является коэф­фициент чувствительности, определяемый как угол раскручивания свер­нутой в спираль биметаллической ленты единичной длины и толщины при нагреве ее на 1 К.

 

Стали немагнитные повышенной прочности  используют для немагнит­ных бандажных колец электрогенераторов. В этих сталях аустенитного клас­са повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются холодной или теплой пластической деформацией, упрочнением в результате дисперсионного твер­дения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого и обратного мартенситных превращений.

 

7.Список литературы:

Учебник А.М.Адаскин,В.М.Зуев

Ссылка: http://emipipe.ru/met/met18.html