Диаграмма Fe-C, Металоведение

Термическую обработку  рессорных листов, например из стали 65С2ВА, проводят по следующему режиму. Листы загружают в закалочную газовую конвейерную печь (температура I зоны 600-700° С, II  зоны 800-850° С и  III  зоны   850-880° С).   Выдержку   дают из расчета 1,2-1,5 мин на 1 мм сечения. После нагрева рессорные листы помещают в гибочно-закалочную машину, в которой производится гибка и закалка с охлаждением в циркулирующем масле (температура   масла   40—60° С).

После закалки рессорные  листы подвергают отпуску в газовой конвейерной печи при 550 - 600° С, с выдержкой 40 - 45 мин. Рессорные листы укладывают на конвейер печи на ребро. После отпуска рессорные листы поступают на конвейер охлаждающего бака. Быстрое охлаждение водой после отпуска препятствует возникновению отпускной хрупкости, не нарушает потока и улучшает условия работы в цехе. После отпуска рессорные листы подвергают дробеструйной обработке, что значительно повышает их предел выносливости. Остаточные напряжения сжатия наружных слоев, вызванные обдувкой дробью, уменьшают напряжения растяжения в наружных волокнах, увеличивая долговечность рессорного листа.

В процессе термической обработки контролируют: а) твердость после закалки (одного комплекта через каждые 2 ч работы) (HRC 50—60); б) прилегание листов рессоры в сборе (через каждые 2 ч работы); в) твердость после отпуска (HRC 40—45).

 

7. Для изготовления  некоторых деталей двигателя внутреннего сгорания выбран сплав АК2;

а) расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей  из этого сплава;

б) определите структуру  в равновесном состоянии и  способ упрочнения данного сплава.

 

   Сплав АК2 относится к сплавам разработанным на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe

Химический состав сплава АК2

Cu	Mg	Mn	Ni	Fe	Si	Ti
4,0	0,6	-	2,0	0,75	0,75	-

 

    К этой группе  относятся прежде всего сплавы  АК3, АК4, АК4-1, которые по фазовому составу, следовательно и по свойствам, резко отличаются от  сплавов типа дуралюмина. Это деформируемые сплавы (ковочные).

    Эти сплавы  нашли  наиболее  широкое   применение  для  ковки  

штамповки поршней, картеров и др. деталей, работающих при повышенных температурах.

 Для повышения прочностных свойств в алюминий вводят легирующие элементы, наиболее распространенными из которых являются медь, цинк, кремний, магний, марганец, литий.   Все диаграммы состояний алюминия с легирующими элементами одного типа - эвтектические с ограниченной растворимостью второго компонента.

Проанализируем, какие структуры  могут иметь алюминиевые сплавы. Для этого рассмотрим кристаллизацию и формирование структур сплавов I, II, III и IV (рис. 8).

Рис. 8. Типичная диаграмма алюминиевых сплавов

 

Фазами в диаграмме  являются: жидкость, - твердый раствор легирующего элемента в алюминии и упрочняющая интерметаллидная фаза AlxMу.

Сплав I при комнатной  температуре имеет структуру  твердого раствора, т.к. после завершения кристаллизации в точке 2 никаких фазовых превращений не происходит. Кристаллизация сплава II происходит следующим образом: от точки 1 до точки 2 из жидкости выделяются кристаллы a-твердого раствора и в точке 2 кристаллизация заканчивается. От точки 2 до точки 3 сплав охлаждается без фазовых превращений. Ниже точки 3, лежащей на линии предельной растворимости, из a-раствора выделяется фаза AlxMу. Следовательно, структура сплава II при комнатной температуре состоит из a-раствора и интерметаллидной (вторичной) фазы, расположенной по границам зерен a-твердого раствора.

Кристаллизация сплава III от точки 1 до точки 2 происходит с  образованием a-твердого раствора и заканчивается в точке 2 выделением из жидкости эвтектики. При комнатной температуре этот сплав имеет структуру a-твердого раствора и эвтектики.

Структура сплава IV состоит  из одной эвтектики, которая образуется при кристаллизации из жидкости в  точке 1.

Изделия из деформируемых  сплавов получают обработкой давлением: прокаткой, волочением, ковкой, горячей  объемной и листовой штамповкой и т.д. Поэтому деформируемые сплавы должны обладать высокой пластичностью. Наибольшую пластичность имеют сплавы со структурой a-твердого раствора. Интерметаллидная фаза пластичность ухудшает. С увеличением количества интерметаллидной фазы пластичность падает, а прочность возрастает до определенного предела, устанавливаемого экспериментально для каждого сплава, после которого сплав становится хрупким.

Максимальное содержание легирующих элементов в сплавах  алюминия установлено экспериментально и не превышает: марганца - 1,6%, кремния - 13,0%, меди - 5,3%, магния - 11,5%, цинка - 14,0%, лития - 4,5%. Анализ приведенных диаграмм состояний показывает, что только сплавы алюминия с кремнием имеют в структуре эвтектику, остальные же имеют структуру твердого раствора a и выделения интерметаллидной фазы по границам зерен.

Сплавы АК2, АК4, АК4-1 способны упрочняться термообработкой, степень их упрочнения зависит от легирующих элементов и степени легированности.

В литом состоянии  любой деформируемый сплав имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора, по границам которого расположены выделения интерметаллидных фаз. Чем сложнее химический состав сплава, тем сложнее состав интерметаллидов. После термообработки (закалки и старении) эти интерметаллидные фазы играют роль упрочнителей сплава, причем эффективность упрочнения тем выше, чем сложнее кристаллическая решетка фазы. Близкие к дюралюминам по составу, но с добавками кремния, - это ковочные сплавы АК2, АК4, АК6, названные так потому, что используются для получения поковок и штамповок.

Рассмотрим процесс  термического упрочнения на примере  сплава, не содержащего эвтектики (рис. 9).

При формировании структуры  слитка или отливки из сплава Х  вначале (точки 1-2) кристаллизуются  зерна твердого раствора a, а затем (точки 3-4) из него на границах зерен выделяется избыточная фаза AlxMу. Схематично эта структура показана на рис.10, а. Сплав с такой структурой обладает низкой прочностью и пластичностью. Хрупкость придают ему грубые выделения

Рис. 9. Типичная диаграмма состояний алюминиевых сплавов 
и схема упрочняющей термообработки сплава 
неэвтектического состава

интерметаллидов на границах зерен.

При формировании структуры  слитка или отливки из сплава Х  вначале (точки 1-2) кристаллизуются  зерна твердого раствора a, а затем (точки 3-4) из него на границах зерен выделяется избыточная фаза AlxMу. Схематично эта структура показана на рис.6.4, а. Сплав с такой структурой обладает низкой прочностью и пластичностью. Хрупкость придают ему грубые выделения интерметаллидов на границах зерен.

При нагреве сплава до температуры 5 избыточная фаза AlxMу растворится  и образуется однородный твердый  раствор a. Затем следует охлаждение в воде, т.е. закалка. В результате образуется пересыщенный α-твердый (т.к. фаза AlхМу не успеет выделиться), обладающий высокой пластичностью и низкой прочностью.

                          а                   б                        в                        г 

Рис. 10. Схемы микроструктур алюминиево-медного сплава с 4% меди (АК 2): а – после литья; б – после закалки; в – после старения; г – после отжига

 

Такой сплав можно  успешно деформировать (штамповать, прокатывать и т.д.), не опасаясь образования  трещин. Перенасыщенный раствор закаленного  сплава термодинамически неустойчив и  поэтому, если его нагреть до температуры 6 или выдержать при комнатной температуре в течение нескольких суток, произойдет старение, т.е. распад раствора, сопровождающийся выделением из него субмикроскопических частиц избыточной фазы (рис. 10, в). Причем эти частицы будут выделяться не по границам, а в объеме всего зерна. Процесс распада перенасыщенного твердого раствора идет в несколько стадий: вначале образуются участки, обогащенные легирующими элементами (зоны Гинье-Престона), затем по мере увеличения температуры, образуются мелкодисперсные частицы промежуточных фаз, и только после этого образуются более крупные частицы интерметаллидов. Упрочнение сплавов происходит на стадиях образования зон Гинье-Престона и мелкодисперстных промежуточных фаз. Эти выделения являются эффективными барьерами на пути движения дислокаций, что ведет упрочнению сплава. Дальнейший нагрев приводит к коагуляции частиц интерметаллидов и формированию структуры отожженного сплава (рис. 10, г) после чего произойдет его полное разупрочнение.

 

 

 

Список литературы

 

1. Гуляев А. П Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб и доп. - М.: Металлургия, 1986.  
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Д44 Справочник: В 3 т.: Т. 1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. — М.: Машиностроение, 1996.
3. Казаков Н.Ф., Осокин А.М., Шишкова А.П. Технология металлов и других конструкционных материалов. - М.: Металлургия,1976.
4. Лахтин Ю. М. Основы металловедения:  Учебник . - М.: Металлургия, 1988.
5. Материаловедение./ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986.
6. Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.:Высш.шк., 2002.