Стали и сплавы с особыми свойствами

2020-06-032021-03-09zzyxelСтудИзба

17. Стали и сплавы с особыми свойствами

К этой группе относят стали:

- с особыми химическими свойствами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные);

- с особыми физическими свойствами (магнитные, с малым коэффициентом расширения).

17.1. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали

К этой группе относятся стали, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии.

Антикоррозионными свойствами обладает сталь в том случае, если она содержит большое количество хрома ( > 12 %) или хрома и никеля.

Применяют три типа хромистых нержавеющих сталей: с содержанием хрома 13, 17 и 27 %, содержащих углерода от 0,1 до 0,04 %.

Стали с содержанием хрома 17-18 % и 25-28 % имеют добавки Ti, Ni, которые вводят для измельчения зерна.

Стали, работающие при низких климатических температурах (до -50^оС), - это стали северного исполнения; от комнатной температуры до -80 ^оС (4,2 К - температура кипения жидкого гелия) - это криогенные стали аустенитного класса, одновременно нержавеющие.

Сталь 12X18H20 - сталь со стабильным аустенитом, который не претерпевает превращений при низких температурах. При всех температурах σ_0,2 / σ_в = 0,5 (12Х18H10, 12X13AГ19).

Хромоникелевые стали имеют:

- высокую ударную вязкость KCV > 2000 кДж/м² при комнатной температуре и всех температурах вплоть до –253 °С (кипение жидкого водорода);

- вязкий излом.

Никель снижает порог хладноломкости, повышает прочность стали (σ_в), увеличивает ударную вязкость (KСV) при -196 °С.

Стали 07Х21Г7АН5 с σ_0,2 = 400 МПа и 03Х13Н9Д2ТМ с σ_0,2 = 800 МПа являются высокопрочными криогенными сталями.

17.4. Магнитные стали и сплавы

Основными характеристиками магнитных сталей и сплавов являются магнитные свойства:

- остаточная индукция B_r (измеряется в гауссах (Гс));

- коэрцетивная сила Н_с (измеряется в эрстедах (Э));

- магнитная проницаемость (измеряется в Гc/Э).

Магнитная проницаемость определяется по формуле: μ = В /Н_с. Если μ > 1, то материал парамагнитен, если μ < 1 – материал диамагнитный.

К ферромагнитным материалам относятся Fe, Co, N1, имеющие μ »1.

Магнитные сплавы в зависимости от коэрцетивной силы (Н_с ) и магнитной проницаемости (μ ) делятся на:

- магнитотвердые сплавы с большой Н_с и малой μ, применяющиеся для изготовления постоянных магнитов. Эти высокоуглеродистые, легированные сплавы (ЕХ, ЕХ3, ЕХ5К5, сплав ЮНДК24) имеют высокую твердость, хрупкость и не обрабатываются резанием. Магниты из магнитотвердых сплавов изготавливают литьём или спеканием из порошков;

- магнитомягкие сплавы с малой Н_с и высокой μ.

К ним относятся :

- электротехническое железо (Армко) марок Э, ЭА, ЭАА для изготовления сердечников, полюсных наконечников электромагнитов, реле;

- электротехническая сталь, которая по содержанию кремния делится на низколегированную (0,8 – 1,8 % Si) (динамная сталь), среднелегированную (1,8 - 2,8 % Si), повышенно-легированную (2,8 – 3,8 % Si) и высоколегированную (3,8 – 4,8 % Si) (трансформаторная сталь);

- железоникелевые сплавы (пермаллои), содержащие 45-80 % Ni, дополнительно легированные Cr, Si, Mo и имеющие высокую магнитную проницаемость. Пермаллой 79НМ (79 % N1, 4 % Мо) после специальной термической обработки имеет магнитную проницаемость μ₀ - 30 000 и μ_max - 22O 000 Гс/Э. Применяют эти сплавы в телефонах и радио (слабые электромагнитные поля).

- ферриты, получаемые спеканием порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂O₃ и окислов двухвалентных металлов МО (ZnO, NiО, MgO). В отличие от других магнитомягких материалов у ферритов очень высокое электросопротивление (10¹² 0м * см), и работают они в области высоких и сверхвысоких частот.

17.5. Сплавы с особенностями электросопротивления

Сплавы с особенностями электросопротивления делятся на три группы:

- проводниковые;

- с высоким электросопротивлением;

- диэлектрики.

К проводниковым сплавам предъявляются следующее эксплуатационные и технологические требования:

- малое электрическое сопротивление;

- высокая прочность (для предохранения от провисания);

- высокая пластичность и способность к холодному и горячему деформированию;

- хорошая коррозионная стойкость;

- легкость пайки и сварки (при монтаже).

Этим требованиям удовлетворяют (в различной степени) Ag, Си, А1, Fe.

Одним из важнейших проводниковых материалов является медь (Сu), которая по свойствам близка к серебру ( плотность ρ = 8,9 г/см² при 20 ^оС, удельное электросопротивление – 0,017( Ом*мм)/м². Кристаллическая решётка меди – ГЦК с параметром а = 0,36 Нм. Удельное электросопротивление меди принимается за эталон.

Марки меди: M1 (99,9 %), Т_пл= 1083 ^оС; МО (99,95 %), Т_кип = 2360 °С; МОО (99,99 %). В технической меди могут присутствовать вредные примеси: висмут (≤ 0,002 %), свинец (≤ 0,005 %), сера, кислород, которые уменьшают пластичность меди.

Чистая медь имеет малую прочность, поэтому её легируют кадмием (Cd), что приводит к незначительной потере электропроводности при сохранении достаточно высокой прочности. Проводимость таких сплавов составляет 80-90 % от проводимости чистой меди. Сплав, упрочненный наклепом, имеет проводимость 98 % от проводимости меди.

Алюминий (А1) имеет электросопротивление больше, чем у меди в 1,7 раза, но он легче. Для линий передач применяют сплав альдрей (0,4 % Mg, 0,6 % Si, 0,25 % Fe). К таким сплавам относятся АД000, АД0.

Большую прочность имеют биметаллы системы Fe - A1. Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты.

Железо (Fe) имеет электросопротивление в 6-7 раз ниже электросопротивления меди. Сплавы железа (сталь с 0,1 – 0,15 % С) применяются для шин, рельсов электрических железных дорог и метро.

17.6. Сплавы с высоким электросопротивлением

Сплавы с высоким электросопротивлением применяют для изготовления элементов сопротивления реостатов и нагревательных элементов. Структура таких сплавов формируется на базе твердых растворов и к ним предъявляются следующие требования:

- они должны обладать высоким удельным электросопротивлением;

- должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления;

- должны обладать высокой окалиностойкостью (жаропрочностью);

- в них должны отсутствовать структурные превращения при нагревах и охлаждениях.

Для элементов сопротивления реостатов применяются сплавы:

- манганин – МНМц 3-12 (11,5-13 % Mn, 2,5-3,5 % Ni,остальное Сu);

- константан - МНМц 40-1,5 (1-2%. Mn, 39-41 % Ni, остальное Сu).

Эти сплавы имеют малый коэффициент электросопротивления: манганин в интервале температур от – 60 до +80 °С и константан в интервале температур от - 60 до + 350 °С.

Для нагревательных элементов применяют сплавы:

- железоалюминиевые: фехраль - Х13Ю4 (≤ 0,15 % С, 13 % Сu, 4 % Al), хромалъ - ОХ23Ю5 (≤ 0,05 % С, 23 % Сr, 5 % Al);

- никелевые: ферронихром - X15H60 (25 % Fe), нихром -Х20Н80. Сплав для деталей нагревательных приборов выпускается в виде проволоки или ленты.

17.7. Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

К сплавам с заданным коэффициентом теплового расширения относятся железо-никелевые сплавы:

- сплав ИНВАР - 36Н (≤ 0,05 % С и 35-37 % Ni). Он почти не расширяется при температуре от -60 до +100 °С и применяется в специальных приборах (альтиметрах, барографах) высокой точности, работающих при переменных нагрузках и климатических изменениях температуры;

- сплав КОВАР - 29НК (0,03 % С, 29 % Ni, 17-18 % Со). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -70 до + 420 ^оС и применяется для деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев.

- сплав платинит - H42 (42-48 % Ni, остальное Fe). Он имеет коэффициент теплового расширения, равный коэффициенту теплового расширения платины и стекла.

Технические железоникелевые сплавы относятся к сталям аустенитного класса.

Бесплатная лекция: "8 Определенный интеграл и методы его вычисления" также доступна.

17.8. Сплавы с заданными упругими свойствами

В приборостроении для изготовления упругих элементов (пружин) требуется материал, обладающий высоким значением упругих свойств, достаточной пластичностью, прямолинейным кодом изменения модуля упругости в широком интервале температур, а также немагнитностью и коррозионной стойкостью.

К таким сплавам относятся:

- сплав 40KXHM (0,07-0,12 % С, 15-17 % Ni, 19-21 % Cr, 6,4-7,4 % Мо, 39-41 % Со). Это высокопрочный, с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав, который применяется для заводных пружин часовых механизмов,а также для витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400 ^оС;

- сплав 42НХТЮ ( < 0,05 % С, ~42 % Ni). Это высокопрочный сплав с низким температурным коэффициентом модуля упругости при температуре до 100 ^оС, который применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры +100 ^оС.

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Стали и сплавы с особыми свойствами

Рекомендуемые материалы

Технические железоникелевые сплавы относятся к сталям аустенитного класса.

Рекомендуемые лекции