2007 (Шпоры), страница 4

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500^oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими: сочетание высокой прочности (σ_в=800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (δ=12…25%); малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность; хорошая жаропрочность, до 600…700^oС;

высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 21.1.

Рис.21.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана:

 

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α— твердого раствора и называются α–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β– твердого раствора и называются β– стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.

Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.

В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α или α+β.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой.

Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.

 

Области применения титановых сплавов: 

• авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

• химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

• оборудование для обработки ядерного топлива;

• морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

• криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС).

Билет 8

1. Цели легирования конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на структуру сталей в отожженном и нормализованном состоянии.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства. Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

1. Никель. (Н) Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. (Х) Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. (В) Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей.

4. Ванадий. (Ф) Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам.

5. Марганец. (Г) Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний. (С) Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

2. Конструкционные материалы малой плотности: алюминиевые деформируемые сплавы, их состав, марки, термообработка, применение. Преимущества и недостатки алюминиевых сплавов по сравнению со сталями.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

 К таким сплавам относятся дюралюмины - (сплав Al с Cu (Cu ≈ 4%). Al-основа, также вводятся Mg, Si, Fe ≈ 1% каждого). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

Билет 9

1. Фазовый и структурный анализ диаграммы Fe-Fe_зС. Использование полиморфизма железа при термической обработке сталей.

Обозначения на диаграмме.

А – аустенит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe_. Тип решетки – ГЦК. Максимальная растворимость углерода – 2,14% при температуре 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавов до t_min = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре t_min = 727° C А устойчив только при определенном содержании углерода (0,8%) – точка S. При падении температуры ниже 727° C А распадается и переходит в П.

П – перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода – 0,8% .Образуется в результате перераспределения углерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф и Ц.

Ф – феррит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe_ОЦК-решетка; содержание углерода – меньше 0,006% при t=20° C. Из-за малого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу.

Ц – цементит – химическое соединение Fe₃C – карбид (сложная кристаллическая решетка). С = 6,67%. Ц – самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый и прочный из всех сплавов.

Л_А – ледебурит аустенитный – эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется при температуре 1147° C (линия ECD).

Л_П – ледебурит перлитный – эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из Л_А при температуре <727° C в результате распада А.

Основные линии на диаграмме.

ACB – линия ликвидус.

AECD – линия солидус.

ECD – линия эвтектического превращения; С – точка эвтектики (ледебурит).

SE – линия предельной растворимости С в А; ниже линии С выделяется в виде Ц_II.

GS – нижняя граница устойчивости А; ниже линии часть кристаллов А теряет С и превращается в Ф, остальные кристаллы получают С и остаются устойчивыми.

PSK – линия эвтектического превращения; ниже линии А переходит в П.

PM – линия предельной растворимости С в Ф; избыточный углерод – в виде Ц_III

GP – верхняя граница ферритной области; для любой двухфазной области диаграммы применимо правило отрезков.

Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% – доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% – доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).

Превращения в сплавах Fe и С.

В технике применяется железо с содержанием углерода до 2,14%.

1) Доэвтектоидная сталь:

Для 4–4': k = 2; f = 3 (Ф + А + Ц); с = 2–3+1=0 (t = const).

1–2 – первичная кристаллизация А из жидкости

2–3 – охлаждение А (превращений нет)

3–4 – диффузионное перераспределение углерода, образование Ф, повышение содержания углерода в А.

4–4' – распад А, образование П.

Ниже 4' – охлаждение сплава, выделение избыточного углерода из Ф (Ц_III).

Полиморфизм – свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Feα  Feγ

2. Конструкционные материалы малой плотности: пластмассы, их состав, применение. Преимущества и недостатки пластмасс как конструкционных материалов.

Пластмассы. Классификация и состав пластических масс.

Пластмассы – это органические вещества, связующими которых являются полимеры. Они состоят из: 1) связующее (матрица) - полимеры; 2) наполнители (низкомолекулярные в-ва), их вводят для придания специальных св-в: понижения усадки, повышения мех. св-в (твёрдость HB, σ_В, σ_Т). Наполнители: порошковые (сажа, графит, древесная мука), волокниты (волокна, стекловолокна, асбоволокна), слоистые (геминакс, текстолит), стеклоткань (стеклотекстолиты), газовые (газонаполненные: поропласты, пенопласты, сотопласты); 3) пластификаторы – жидкие вещества, для повышения эластичности материала; 4) отвердители; 5) краски (оксиды металлов), их вводят для изменения цвета пластмасс. Пластмассы: термопластичные, термореактивные и газонаполненные.

Термопластичные пластмассы. Свойства, область применения (на примере полиэтилена и фторопласта).

1. Полиэтилен (ПЭ). Состав мономера: [–CH₂–CH₂–]_n. Этилен [–CH₂–CH₂–] при комнатной t находится в газовом состоянии, t кипения составляет -140°C. ПЭ бывает двух видов: 1)Низкой плотности высокого давления ПЭНП (ПЭВД), разветвлённая структура, плотность ρ = 0,91-0,92 г/см³, t_экспл = -70120-140°C, t_плавл = 110-125°C; 2) ПЭВП (ПЭНД), линейная структура, ρ = 0,96 г/см³, t_экспл = -70140-150°C, t_плавл = 150°C. Недостаток – старение ПЭ. При воздействии ионизованного излучения увеличивается прочность материала и теплостойкость. Применение: упаковочная плёнка, литьё бутылок, трубы, электроизоляционный кабель.