|
|
Конструкционная прочность, ее характеристики. Способы повышения конструкционной прочности; повышение металлургического качества, легирование, термическая, термомеханическая и поверхностная обработка.
Конструкционная прочность – комплексная хар-ка, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности. Характеристики прочности и жесткости: 1) Прочностные хар-ки: временное сопротивление 2) Упругие хар-ки: модули упругости E и G Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению. Д олговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния. Характеристики надежности и долговечности: 1) Пластичность δ, ψ, ударная вязкость KCU, KCV, вязкость разрушения, порог хладноломкости, 2) Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии. Способы повышения прочности: 1) Металлургические, 2) технологические, 3) Структурные Металлургические – повышение чистоты Ме, удаление вредных примесей (S, P, газообр эл-тов – O, H, N, оксидов, сульфидов) – переплав, рафинирование и др. Легирование – карбидообр эл-ты (Ni, V, Mo, Cr) образуют карбиды при выплавке, задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад мартенсита. Некарбидообр эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Cu) замедляют диффузию. Все лег эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, атомы внедрения (C, O, H, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их. Закалка+старение – дисп частицы вторичной фазы создают сильное торможение дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо огибать частицы. Поверхностное упрочнение – осн метод повышения тв-ти слоя и препятствующий зарождению пов трещин. (ППД, цементация, нитроцемент, азотир, закалка ТВЧ). ВТМО – стр-ра с выс пл-тью дислокаций и достаточно равномерным их распределением вследствии сильного дробления на отдельные субзерна. Билет 6 1. Диаграммы состояний двойных сплавов. Правила фаз, отрезков и концентраций. Использование диаграмм состояния для определения свойств сплавов и возможных видов термообработки.
Так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь: правило Курнакова.
4. При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. 5. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, 6. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. 4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой 2. Жаропрочность и способы ее повышения. Жаропрочные стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Сплавы на основе никеля.
Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть. Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность Прочность зависит от продолжительности испытаний. Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение Например Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре. При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами. При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 20.3):
Рис. 20.3. Кривая ползучести
1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки; 2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести; 3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость. Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки). Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400oС. Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации Например
Классификация жаропрочных сталей и сплавов
В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы. При температурах до 300oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали. Для работы в интервале температур 350…500oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов. Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы. Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей). Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации. Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С. Жаролрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000oС и отпуску при температуре 720…780oС. При рабочих температурах 500…700oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д. Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600oС, из-за выделения по границам различных фаз. По структуре стали подразделяются на две группы: 1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750oС. 2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р. Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается. Детали, работающие при температурах 700…900oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей). Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали. По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники). Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т). Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов. Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800oС. Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама. Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900oC (до 2500oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других. Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400oС, тантал – 3000oС, молибден – 2640oС, ниобий – 2415oС, хром – 1900oС. Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации. Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi2 толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700oС силицированные детали могут работать 30 часов. Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах). В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196oС и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800oС. Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются Изготавливают изделия, работающие в вакууме). Билет 7 1.Диаграмма Fe-Fe3C, ее фазовый и структурный анализ. Влияние углерода на структуру и свойства сталей.
 Диаграмма состояния «Железо – цементит». Превращения в сплавах на основе железа при нагреве и охлаждении.
Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет решётку о.ц.к., низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см3, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα наз. феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Feβ – о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик. В 910-1400°C существует Feγ, решётка г.ц.к., это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ наз. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен. Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C – плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe3C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe3C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe3C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит – Перлит. [Ф+Ц] – 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла – [А+Ц], Лп – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется ЦI, из А - ЦII, из Ф - ЦIII. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.
2. Титан и сплавы на его основе. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана и свойства a, a + b и псевдо-b сплавов, Термическая обработка сплавов.
Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680oС. Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %. При температуре 882oС титан претерпевает полиморфное превращение, α–титан с гексагональной решеткой переходит в β– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки. 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 500oС 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 (σв=800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (δ=12…25%); малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность; хорошая жаропрочность, до 600…700oС; высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах. Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.
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 –253oС). Билет 8   Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...  ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...  Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
, предел текучести 
, предел выносливости 
-1)
=, например 
300oС= 300МПа.
, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.
= 200 МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.
ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Тпл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругости 
.
МПа, где верхний индекс – температура испытания вoС, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах.
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.