Литейные алюминиевые сплавы

Типичными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием (АК12, АК9, АК7). Диаграмма состояния системы Al–Si приведена на рис.50.

 

Рис. 50. Диаграмма состояния сплавов системы Al – Si

Распространенный силумин АК12 содержит 11…13% Si. В равновесном (литом) состоянии сплав является заэвтектическим и состоит из эвтектики (α+Si) крупноигольчатого строения и включений хрупких первичных кристаллов кремния (рис. 51а).

 

а) б)

Рис. 51. Микроструктура силумина: а – до модифицирования; б – после модифицирования

 

Для повышения механических свойств силуминов проводят модифицирование. В расплав вводят соли натрия – 67% NaF и 33% NaCl. Натрий - поверхностно-активный элемент, способствует измельчению первичных кристаллов кремния и эвтектики.Кроме того, в присутствии натрия точка эвтектики смещается в сторону больших концентраций кремния (пунктирные линии на рис. 50), так что сплав АК12 становится доэвтектическим. Структура модифицированного сплава состоит из кристаллов α-раствора и мелкозернистой эвтектики (рис. 51б).

Доэвтектические сплавы АК9 (8…10%Si) и АК7 (6…8%Si) дополнительно содержат магний (до 0,3…0,4%Mg) и могут упрочняться закалкой с последующим старением за счет выделения частиц упрочняющей фазы Mg₂Si.

Применяют силумины для изготовления мелких (АК12), а также средних и крупных (АК9, АК7) литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания, блоков цилиндров автомобильных двигателей).

 

 

Задача:

 

 

Билет №29

 

1. Диаграмма состояния железо-углерод. Структуры и фазы в системе. Указать критические точки А₁ и А₃ и влияние на них легирующих элементов.

 

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Легирующие элементы влияют на точки полиморфного превращения железа (А₃ и А₄), изменяя области существования феррита и аустенита. Различают две группы легирующих элементов: α- и γ-стабилизаторы (рис.26).

К α-стабилизаторам относятся элементы с ОЦК решёткой: Cr, Mo, W, V, Nb. Они повышают температуру А₃ и понижают А₄, расширяя область α-твёрдого раствора (рис. 26 а). При концентрации α-стабилизатора больше Х сплавы Fe-ЛЭ не испытывают полиморфного превращения и имеют структуру легированного феррита.

К γ-стабилизаторам относятся элементы с ГЦК решёткой: Mn, Ni, Cuи др. Они снижают температуру А₃ и повышают А₄ расширяя область γ-твёрдого раствора (рис. 26 б). Сплавы, с концентрацией γ-стабилизатора больше Y имеют структуру легированного аустенита.

б)

а)

Рис. 26. Влияние легирующих элементов на точки полиморфного превращения железа: а – a-стабилизаторы, б – g-стабилизаторы

 

1. Нормализация и улучшение стали. Цель процессов, режимы и получаемые структуры. Сравнительная характеристика механических свойств после нормализации и улучшения.

 

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше А_С3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше А_Сm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе (Рис.38, 40).

 

 

Рис. 40. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева при нормализации

При нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация, в результате охлаждения получают высокодисперсные феррито-цементитные смеси. Структуры:

· доэвтектоидных сталей - С+Ф,

· эвтектоидной – С,

· заэвтектоидных – С+Ц_II.

После нормализации сталь имеет более высокую прочность, твёрдость, сопротивление хрупкому разрушению, по сравнению с отжигом.

Цель нормализации - устранение крупнозернистой структуры, полученной при предшествующей обработке (литье, горячей прокатке, ковке или штамповке, диффузионном отжиге). Нормализацию применяют:

· для низкоуглеродистых сталей - вместо отжига,

· для среднеуглеродистых – вместо закалки с высоким отпуском,

· для высокоуглеродистых (заэвтектоидных) – для частичного устранения цементитной сетки,

· для некоторых легированных сталей – вместо закалки.

 

Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

 

Высокий

500…680

Сотп

КС

Валы, оси, шатуны

 

1. Латуни. Их состав, свойства, маркировка, применение. Влияние Zn на свойства латуней.

Латуни – сплавы меди с цинком. Маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди (например, латунь Л68 содержит 68% Cu и 32% Zn). В марках многокомпонентных латуней содержатся буквенные обозначения элементов, числа последовательно показывают содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59%Cu, 3%Al, 2%Ni (остальное Zn).

В системе Cu–Zn образуются следующие фазы:

· α - твердый раствор цинка в меди, предельная растворимость 39% Zn;

· b′ - упорядоченный твердый раствор меди на основе электронного соединения CuZn, существует при температуре ниже 454°С;

· b - неупорядоченный твердый раствор меди на основе CuZn, существует при температуре выше 454°С.

Практическое применение имеют латуни, содержащие до 45% Zn, сплавы с большей концентрацией цинка обладают пониженной прочностью и пластичностью.

Латуни по структуре делят на две группы:

· однофазные со структурой α-твердого раствора, содержат <39%Zn;

· двухфазные со структурой α + β', содержат от 39% до 45%Zn.

Однофазные α-латуни (Л96, Л80) обладают пластичностью, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, упрочняются холодной пластической деформацией. Однофазные латуни применяются в виде полос, лент, проволоки, а также в качестве деталей (шайбы, втулки и т.д.).

Двухфазные α+β'- латуни (Л59, Л60) по сравнению с однофазными латунями имеют бόльшую прочность и износостойкость, из них изготавливают втулки, гайки, токопроводящие детали.

Специальные латуни дополнительно легированы элементами: Sn, Pb, Si, Ni, Al, Fe, Mn.

Задача: 5ХНМ для горячего деформирования - Термообработка: закалка в масле+высокий отпуск. Структура: троостосорбит

У12 для холодного - Термообработка: закалка + низкий отпуск. Структура: мартенсит отпуска и вторичный цементит (карбиды).

 

 

Билет № 30

 

1. Пластическая деформация. Явление наклепа. Влияние наклепа на структуру и свойства металла. Назначение рекристаллизационного отжига.

Механизмы пластической деформации:

· скольжение;

· двойникование;

· межзеренное перемещение (зернограничное скольжение).

Скольжение состоит в сдвиге одной части кристалла относительно другой путем последовательного перемещения дислокаций. В металлах с плотноупакованной решеткой (К12, Г12) кроме скольжения, возможно двойникование – зеркально симметричное смещение одной части кристалла относительно другой.

При пластической деформации поликристаллического металла, кроме того, происходит зернограничное скольжение, которое активизирует диффузию дислокаций, вакансий и межузельных атомов. Зерна удлиняются и дробятся, образуется волокнистая структура (рис.12).

При большой пластической деформации под влиянием внешних сил формируется текстура деформации – структура с преимущественной кристаллографической ориентировкой зёрен.

Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Упрочнение вызвано:

· увеличением плотности дислокаций r до 10¹¹…10¹² см^-2;

· искажением кристаллической решетки;

· дроблением зерен.

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия наклёпа. Температура нагрева сталей 650…700°С

Цель отжига – получение равновесной структуры. Это достигается путем медленного охлаждения детали вместе с печью (рис. 38). Структуры сталей после отжига соответствуют равновесной диаграмме состояния (Fe-Fe₃C):

· доэвтектоидных - П+Ф,

· эвтектоидной – П,

· заэвтектоидных – П+Ц_II.

 

 

2. Прокаливаемость и закаливаемость стали. Факторы, влияющие на них. В каких случаях требуется сквозная прокаливаемость? Что такое критический диаметр стали и от чего он зависит?

 

Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в мартенсите: чем больше в нем углерода, тем выше его твердость.

Прокаливаемость – способность стали получать структуру мартенсита на определённую глубину. Она характеризуется критическим диаметром: D_КР – максимальный диаметр цилиндрического образца, в центре которого после закалки образуется мартенситная структура (сквозная прокаливаемость) или структура полумартенсита (50% мартенсита + 50% троостита).

Для деталей, воспринимающих рабочую нагрузку равномерно по всему сечению, необходима сквозная прокаливаемость для получения однородной отпускной структуры и, следовательно, одинаковых свойств по всему сечению.

Факторы влияющие на прокаливаемость стали:

Прокаливаемость тем выше, чем выше устойчивость переохлажденного аустенита и меньше критическая скорость закалки. Прокаливаемость зависит от химического состава, размера зерна (температуры нагрева), охлаждающей среды, формы и габаритов детали.

2. Основное влияние на прокаливаемость стали оказывают легирующие элементы. Легирующие элементы, растворенные в аустените (кроме кобальта), смещая С-кривую вправо, повышают его устойчивость, V_кр снижается, а прокаливаемость увеличивается. Для повышения прокаливаемости в стали добавляют хром, марганец, кремний, никель, молибден, вольфрам, малые добавки бора. Легированные стали с более высокой прокаливаемостью используют для изготовления крупных деталей.

Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, нитридов (V, Ti, Nb) уменьшают устойчивость аустенита, снижая прокаливаемость.

3. Влияние размера зерна аустенита. Зародыши феррито-цементитной структуры преимущественно образуются по границам зерен аустенита. Чем крупнее зерно, тем меньше суммарная протяженность границ, меньше число возникающих зародышей и выше устойчивость аустенита. Повышение температуры и длительности нагрева приводит к укрупнению зерна, и, следовательно, к увеличению прокаливаемости.

 

 

1. Классификация конструкционных машиностроительных сталей по виду термической обработки. Основные виды их термической обработки. Получаемые структура и свойства.

машиностроительные стали – для деталей машин и механизмов;

Конструкционные стали общего назначения в зависимости от вида окончательной термообработки делят на:

· цементуемые; Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: М_ОТП+Ц_II+А_ОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC

· улучшаемые; Основная термообработка: улучшение (закалка + высокий отпуск). Структура: зернистый сорбит, который оптимально сочетает высокую прочность с высокой ударной вязкостью и выносливостью.

· рессорно-пружинные. Термообработка: закалка + средний отпуск. Структура - троостит отпуска. Свойства: высокие пределы упругости, текучести и выносливости.

 

 

Задача: Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток.

 

 

Билет №31

 

1. Диаграмма состояния компонентов с неограниченной растворимостью. Условия образования неограниченных твердых растворов. Как определяется количество и состав фаз во время кристаллизации.

 

. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии

На рис.16 показана диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Такой тип диаграммы соответствует сплавам Cu-Ni, Ag-Au и др. В таких сплавах при охлаждении происходит только одно фазовое превращение – кристаллизация.

Рис.16. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Кристаллизация сплавов начинается при температурах t_Н, образующих линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Кристаллизация чистых компонентов А и В идет при постоянных температурах (t_A и t_B соответственно), тогда как кристаллизация твердых растворов – в интервале температур (t_Н-t_К). Окончанию кристаллизации соответствуют температуры t_К - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии, в виде α-твёрдого раствора. В области между линиями ликвидус и солидус находятся в равновесии две фазы: жидкий раствор и α-твердый раствор.

Диаграммы состояния позволяют определить структуру сплавов после завершения всех фазовых превращений при охлаждении. В данном случае структура любого сплава после охлаждения представляет собой зерна a-твердого раствора

 

2. Мартенситное превращение в стали. Механизм мартенситного превращения, строение и свойства мартенсита. Влияние углерода и легирующих элементов на температуру Мн и Мк.

 

Мартенситное превращение

Мартенситное превращение протекает в интервале температур М_н-М_к (рис. 33).

Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенита со скоростью выше критической (V_КР - критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения для получения мартенсита) диффузии углерода не происходит, идет только полиморфное γ→α превращение:

Feγ(C)0,8%C→ Feα(C)0,8%C.

Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Кристаллическая решётка мартенсита - тетрагональная (Рис.34), в ней отношение периодов с/а≠1. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности (с/а).

 

 

Рис.34. Кристаллическая решетка мартенсита

 

Мартенсит – структура закаленной стали, обладает высокой твердостью. Это объясняется искажениями кристаллической решётки, вызванными повышенным содержанием в ней углерода, увеличением плотности дислокаций до 10¹²см^-2. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Твердость мартенсита стали с содержанием углерода 0,8% – 63…65 HRC.

Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 35).

 

Рис. 35. Строение мартенсита: а – схема, б – микроструктура

Основные особенности мартенситного превращения:

· превращение А→М идет по бездиффузионному механизму;

· превращение А→М идёт с увеличением объёма, что вызывает значительные остаточные напряжения;

· мартенситное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется остаточный аустенит (А_ОСТ).

Количество А_ОСТ зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали, которые влияют на положение точек начала и конца мартенситного превращения (рис. 36). При содержании углерода более 0,6% М_К опускается в область отрицательных температур. Чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже М_Н и М_К и тем больше в структуре остаточного аустенита.

 

Рис. 36. Влияние содержания углерода (сплошные линии) и легирующих элементов (пунктирные линии) на температуру мартенситных точек М_Н и М_К

 

3. Отжиг стали. Назначение, разновидности, получаемая структура.

Предложить марки сталей для пружин диаметром 5 мм и 20 мм. Назначить термическую обработку, описать структуру и свойства

Цель отжига – получение равновесной структуры. Это достигается путем медленного охлаждения детали вместе с печью (рис. 38). Структуры сталей после отжига соответствуют равновесной диаграмме состояния (Fe-Fe₃C):

· доэвтектоидных - П+Ф,

· эвтектоидной – П,

· заэвтектоидных – П+Ц_II.

 

Виды отжига:

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия наклёпа. Температура нагрева сталей 650…700°С (Рис.39).

Отжиг для снятия остаточных напряжений (в отливках, сварных соединениях и др.) проводится при температуре 550..650°С.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для легированных сталей с целью устранения химической и структурной неоднородности, Т_нагр= 1100..1200°С (Рис.39), выдержка 15..20 часов. После диффузионного отжига формируется крупнозернистая структура (П+Ф).

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей с целью получения мелкозернистой равновесной структуры с пониженной твёрдостью и высокой пластичностью и снятия внутренних напряжений. Полный отжиг проводится при температуре на 30..50°С выше линии А_С3 (Рис.38), происходит полная фазовая перекристаллизация, структура – П+Ф, мелкозернистая. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не применяется, так как приводит к образованию структуры П+Ц_II с хрупкой цементитной сеткой.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводится при температуре на 10…30°С выше линии А_С1 (Рис.39) с целью снизить твёрдость для улучшения обработки резанием. Происходит частичная перекристаллизация. Применяется вместо полного отжига, если не требуется измельчение зерна.

Для заэвтектоидных сталей назначается только неполный отжиг. Он проводится при температуре на 10…30°С выше линии А_С1 (Рис.39) с цельюполучения зернистого перлита. Такой отжиг называется сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для легированных сталей и заключается в нагреве выше линии А_С3, быстром охлаждении до 620…660°Сс последующей изотермической выдержкой в течение 3…6 часов до полного распада аустенита с образованием сорбита пластинчатого. Далее ведут охлаждение на воздухе.

 

 

 

Задача: Термообработка: закалка + средний отпуск. Структура - троостит отпуска.

Углеродистые стали: 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для пружин малого сечения (до 10 мм), эти стали имеют низкую релаксационную стойкость.

Кремнистые стали: 55С2, 60С2А, 70С3А применяют для автомобильных рессор, пружин вагонов. Кремний повышает прочность феррита, предел упругости.

 

 

Билет № 32

Диаграмма состояния компонентов, образующих ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью и эвтектику. Структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов