Контрольная работа по "Материаловедение"

 

Характерной особенностью данной стали является способность  при охлаждении на воздухе с надкритических температур приобретать высокую  твёрдость, что вносит ряд особенностей в технологию изготовления деталей: после каждой операции горячей обработки  давлением или сварки необходимо проведение отжига при 860°С (медленное  охлаждение с печью). Температура  начала деформации, в данном случае ковки - 1200°С, конца - 900°С. Ковка относительно тонких и длинных изделий приводит к получению структуры мартенсита. Твёрдость после отжига 269-197 НВ. После  закалки, для снятия напряжений рекомендуется  закаленные изделия немедленно подвергать отпуску. Рекомендованный режим  термической обработки, табл.2:

Таблица 2 - Режим термической  обработки стали марки 40Х10С2М

Закалка с 1010-1050°С, охлаждение на воздухе или в масле, отпуск при 720-780 °С, охлаждение в масле	Временное сопротивление σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	Предел текучести σT, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение δ5, %	Относительное сужение ψ, %	Ударная вязкость КСИ,Дж/см2 (кгс м/см2)
	не менее
	930	735	10	35	20
	(95)	(75)			(2)

 

Сталь 40Х10С2М  характеризуется сравнительно не высоким  содержанием легирующих элементов  и исходя из этого относительной  дешевизной. Благодаря сочетанию  хорошей стойкости в горячих  газах - продуктах сжигания топлива  с повышенной прочностью и сопротивлению  изнашиванию применяется как, было отмечено выше для клапанов. Данная сталь относится к группе жаростойких (окалиностойких) и жаропрочных сталей. Благодаря повышенному содержанию хрома и кремния сильхромы  имеют высокие температуры критических точек (АС1 - 810°С, АС3 - 950°С. Это позволяет проводить высокий отпуск и получать сорбит, устойчивый в условиях эксплуатации при более низких температурах. Вследствие получения структуры сорбита одновременно с увеличением 0,2 обеспечивается повышенное сопротивление усталости, в том числе при термоциклировании. Требуемые свойства в сильхромах достигают совместным введением таких элементов, как хром (6-10%) и кремний (1-3%), которые позволяют получить высокое сопротивление газовой коррозии. Но 10% хрома не достаточно для того, чтобы отнести сталь к разряду, именуемому "нержавеющими сталями" и обеспечить высокую коррозионную стойкость в более агрессивных средах. Отчасти это обстоятельство компенсируется, глубоким переделом данной стали на металлургических предприятиях и высокой частотой полировки изделий, что повышает способность уже товарной продукции противостоять межкристаллитной коррозии и воздействию агрессивных сред.

В тоже время  присадки хрома и кремния повышают, склонность стали к отпускной  хрупкости. Введение молибдена уменьшает  отпускную хрупкость и препятствует значительному укрупнению зерна  при закалке, а также увеличивает  жаропрочность.

Несмотря на сравнительно низкое содержание углерода, правильно  проведенная термическая обработка  позволяет получить твёрдость 50-55 ед. HRCэ и при этом иметь хорошие  результаты по износостойкости, что  лишний раз подтверждает отсутствие чёткой линейной зависимости между  величиной твёрдости и износостойкости.

Сталь, устойчивую против газовой  коррозии при высоких температурах (свыше 550°С), называют окалиностойкой. Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Повышение окалиностойкости достигается  введением в сталь главным  образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки окислов (Сr, Fе)₂О₃, (А1, Fе)₂О₃. Введение в сталь 5-8% Сr повышает окалиностойкость до 700—750°С; увеличение содержания Сr до 15-17% делает сталь окалиностойкой до 950 —ЮОО°С, а при введении 25% Сr сталь остается окалиностойкой до 1100°С. Легирование сталей с 25% Сr алюминием в количестве 5% повышает окалиностойкость до 1300°С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Отдельные детали двигателя и ходовой части гоночных автомобилей должны наряду с высокой прочностью (σ_в ≥ 1100 МПа) иметь возможно малый вес, т.е. обладать большой удельной прочностью (отношение предела прочности σ_в [МПа] к плотности γ [г/см³]). Выбрать для этой цели подходящий сплав(σ_в / γ > 200). Привести марку сплава, химический состав, назначение легирующих элементов. Описать физико-механические и технологические свойства сплава. Указать режим термической обработки, окончательную структуру и свойства сплава.

 

Характеристика  материала ВТ6.

Классификация : Титановый деформируемый сплав

Применение : штампосварные детали, длительно работающие при температуре 400-450° ; класс по структуре α+β 
Химический состав в % материала ВТ6

Fe	C	Si	V	N	Ti	Al	Zr	O	H	Примесей
до   0.3	до   0.1	до   0.15	3.5 - 5.3	до   0.05	86.485 - 91.2	5.3 - 6.8	до   0.3	до   0.2	до   0.015	прочих 0.3

Примечание: Ti - основа; процентное содержание Ti дано приблизительно

 
 
Механические свойства при Т=20^oС материала ВТ6 .

Сортамент	Размер	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	МПа	МПа	%	%	кДж/м2	-
Пруток		900-1100		8-20	20-45	400	Отжиг
Пруток		1100-1250		6	20	300	Закалка и старение
Штамповка		950-1100		10-13	35-60	400-800	Отжиг

 

Твердость материала   ВТ6   после закалки и старения ,    Пруток	HB 10 -1 = 293 - 361   МПа
Твердость материала   ВТ6   после отжига, Штамповка	HB 10 -1 = 255 - 341   МПа

 

 

 

 

Физические свойства материала  ВТ6 .

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	1.15		8.37	4430		1600
100		8.4	9.21			1820
200		8.7	10.88		0.586	2020
300		9	11.7		0.67	2120
400		10	12.56		0.712	2140
500			13.82		0.795
600			15.49		0.879
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

 
 
Технологические свойства материала  ВТ6 .

Свариваемость:

без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей  термообработки

 
            Легирующие элементы по характеру  влияния на полиморфные превращения титана подразделяют на три группы: α-стабилизаторы, β-стабилизаторы и нейтральные элементы. α -стабилизаторы (Аl, О, N) повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Тi_α. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые сплавы. Алюминий - широко распространенный, доступный и дешевый металл. Введение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости, прочность при 20-25 °С и высоких температурах. Большинство легирующих элементов, являющихся β - стабилизаторами, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термической обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сr, Мn. Нейтральные элементы Sn, Zr,  мало влияют на температуру полиморфного превращения. Легирование титановых сплавов нейтральными элементами не меняет их фазового состава. Нейтральные элементы влияют на свойства титановых сплавов благодаря изменению свойств α - и β -фаз, в которых они растворяются. Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово повышает прочность титановых сплавов при 20 25°С и высоких температурах без заметного снижения пластичности, цирконий увеличивает предел ползучести.

Особенности термической  обработки титановых сплавов. Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.

Отжиг проводят главным образом  после холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но не может превышать границу перехода в β-состояние во избежание роста зерна. Температура рекристаллизации титана, в зависимости от его чистоты и степени предшествующей деформации, лежит в интервале температур 400-600°С. Легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации титана. Практически отжиг титановых сплавов проводят при температуре 670-800°С с выдержкой от 15 мин до 3 ч. Тонколистовой прокат рекомендуется отжигать в вакууме для предотвращения насыщения газами и охрупчивания.  Целью отжига (α + β)-сплавов помимо снятия наклепа является стабилизация β -фазы, так как эвтектоидный распад вызывает охрупчивание сплавов.

Термическая стабильность β -фазы повышается по мере увеличения в ней легирующих элементов. Концентрация β -фазы зависит от температуры нагрева. Поскольку с понижением температуры концентрация легирующих элементов в β -фазе увеличивается, отжиг для ее стабилизации должен быть по возможности низким (но не ниже температуры рекристаллизации). Практически такой отжиг проводят при температуре 750-850°С. Более высокая термическая стабильность достигается после изотермического отжига. Он состоит в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации (для снятия наклепа) с последующим охлаждением до более низкой температуры и выдержке для стабилизации β -фазы.

Упрочняющая термическая обработка  (закалка и старение) применима только к сплавам с (α+β)- структурой. Закалка состоит в нагреве до β-состояння и охлаждения в воде. В некоторых случаях, чтобы избежать интенсивного роста зерна, который происходит в β -состоянни, закалку производят из (α+β)- области. При этом увеличиваются степень легированности β-фазы и прочность сплавов при повышенных температурах. Характер превращения при закалке зависит от степени легированности сплава.

При старении из α^’-фазы выделяется β-фаза различной дисперсности, вызывающая уменьшение твердости, или интерметаллидная фаза, способствующая охрупчиванию сплава.

Во время старения сплавов с β-структурой при низких температурах (300-350°С) также образуется ω-фаза, охрупчиваюшая сплавы. Поэтому старение ведут при более высокой температуре (480-550 °С), когда из β'-твердого раствора выделяется тонкодисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость.

Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют при температуре 850-950°С в течение 10 50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор.

Двухфазные (α+β) -сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Эти сплавы легированы в основном алюминием и β-стабилизаторами. Необходимость легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняет α-фазу при 20°С и повышенных температурах, тогда как β-стабилизаторы мало растворимы в этой фазе и потому не оказывают существенного влияния на ее свойства. Особо ценным для этих сплавов является способность алюминия увеличивать термическую стабильность β-фазы, поскольку эвтектоидообразуюшие β-стабилизаторы наиболее эффективно упрочняющие сплавы, вызывают склонность этой фазы к эвтектоидному распаду. Кроме того, алюминий снижает плотность (α+β)-сплавов, что позволяет удерживать ее приблизительно на уровне титана, несмотря на присутствие в этих сплавах элементов с большой плотностью V, Сr, Мо, Fe и др. Устойчивость β-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные β-стабилизаторы: Мо, V, Мb. На свойства они влияют по-разному. Сильнее упрочняет Мо, особенно при содержании его в сплаве более 4%. Слабее упрочняют V и Мb, но они мало снижают пластичность сплавов. Однако наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообраэующими β -стабилизаторами; Fе, Сr, Мn. Поэтому двухфазные промышленные сплавы содержат b те и другие β-стабилизаторы. Сплавы упрочняются с помощью термической обработки-закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения -высокую прочность при 20-25 'С и повышенных температурах. При этом, чем больше β -фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.