Свойства, строение и применение деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение		3
1	Охарактеризуйте свойства, строение и применение деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой	4
2	Изобразите  диаграмму изотермического превращения  аустенита и опишите мартенситное превращение	10
3	Опишите свойства и назначение электроизоляционных синтетических смол	17
Заключение		19
Библиографический список		20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Материаловедение изучает  основные физические процессы, протекающие  в материалах при воздействии  на них электрического, магнитного или тепловых полей и механических напряжений; зависимость электрических, механических и других свойств материалов от их химического состава и строения; описывает свойства материалов, применяемых в производстве и в быту.

Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение изучает общие закономерности взаимосвязи структуры и свойств материалов и процессов, приводящих к изменению их строения и свойств при внешних воздействиях. Оно базируется на интеграции достижений физики, химии, физической химии, электрохимии, металлофизики и других естественных наук.

Прикладное материаловедение изучает частные вопросы изменения  и формирования структуры и свойств  различных материалов в процессе из получения, обработки и эксплуатации.

История развития общества связана с историей освоения материалов, технологии их получения и обработки (каменный, бронзовый, железный века). Материаловедение, как прикладная наука, сформировалась на рубеже 18-19 веков.

Основу сырья дает нам природа. Человеческий труд превращает в сырье природные богатства (75% из которых полезные ископаемые, а 25% – продукты сельского, лесного и морского хозяйства). [8, с.11]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         1 ОХАРАКТЕРИЗУЙТЕ СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, УПРОЧНЯЕМЫХ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

 

 

Алюминий является основой  для получения многих сплавов, широко применяемых в самолетостроении, авто- и вагоностроении, приборостроении. Алюминиевые сплавы бывают деформированными (упрочняемые при помощи термической обработки и не упрочняемые) и литейными. Дюралюминий – самый распространенный сплав, который используется в деформированном виде и укрепляется при помощи термической обработки.

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Аl₂0₃.

Алюминиевые сплавы разделяют по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые и не упрочняемые. Они могут подвергаться гомогенизационному, рекристализационному и разупрочняющему отжигу.

Хорошим сочетанием прочности  и пластичности отличаются сплавы системы Аl – Сu – Мg – дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Термическая обработка упрочняет дюралюмины, повышает их свариваемость точечной сваркой. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием.

В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19).

К сплавам, упрочняемым термической  обработкой, относятся главным образом  сплавы нормальной прочности и высокопрочные. Типичными представителями являются дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Al – Сu – Mg. Согласно диаграмме состояния Al – Cu (рисунок 1, в), мель с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65 % при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1% при 20°С.

Из твердого раствора при этом выделяется θ-фаза (СuАl2), содержащая – 54,1% Сu. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твердостью (530 HV). В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо θ образуется еще S-фаза (CuMgAl₂) с ромбической кристаллической решеткой (564 HV). На рисунке 2 показано влияние соотношения θ- и S-фаз на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество θ-фазы будет в его структуре (Д1).

Увеличение содержания магния приводит к росту количества S-фазы и повышению прочности сплавов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки (см. таблицу 1), состоящей из закалки и естественного старения. При закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495-505 °С, а Д1 – до 500-510°С, затем охлаждают в воде при 40°С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Г – П, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5-7 сут. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40 °С и особенно 100°С. Более высокие значения σв и σ0,2 прессованных прутков объясняются пресс-эффектом. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений. [3, с.335]

Термически упрочняемые деформируемые  алюминиевые сплавы могут быть разделены  на несколько групп.

1. Дуралюмины – сплавы на  основе системы А1 – Сu –  Мg: Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18.

2. Авиали – сплавы на основе  системы А1 – Мg – Si и А1  – Сu – Мg – Si АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8.

3. Сплавы на основе системы  А1 – Сu – Мg – Fe – Ni: АК2, АК4, АК4-1.

23 (Al – Cu – Mn – Li – Cd)

4. Сплавы на основе системы А1 – Сu – Мn: Д20, Д21 и ВАД

5. Сплавы на основе системы  Аl – Zn – Mg – Cu: В93, В95, В96, В94.

6. Сплавы на основе системы  А1 – Мg – Zn: В92, В92Ц, АЦМ.

Искусственному старению (190°С, 10 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 °С). Большое практическое значение имеет начальный, или «инкубационный», период старения (20-60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Эти позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, правка и др. Дли проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подвергнуть обработке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава (1-2 мин) при 230-300 °С. Во время нагрева рассасываются зоны Г – П и восстанавливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки.

 

Однако применение обработки «на  возврат» ограничено тем, что у тонкостенных изделий снижается коррозионная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки не успевает восстанавливаться пластичность по всему сечению. Увеличение выдержки приводит к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает снижение пластичности.

Дуралюмины широко применяют в  авиации. Из сплава Д1, например, изготовляют лопасти воздушных винтов; из Д16 – шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроме того, их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей, обсадных труб и др. Сплав Д18 – один из основных заклепочных алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют  буквами АК. Они обладают хорошей  пластичностью и стойки к образованию  трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вместо фазы S присутствуют кремнийсодержащие фазы – четверная фаза (Al, Сг, Mg, Si) и β-фаза (Mg2Si). Ковку и штамповку сплавов ведут при 450-475°С. Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (АК6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (σв= 360 МПа). Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, крепежные летали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоко-нагруженных деталей несложной формы: подмоторные рамы, пояса лонжеронов и др.

Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600 700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы принадлежат к системе Al – Zn – Mg – Сu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его распад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют М-, S- и Т-фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии: соответственно MgZn₂, CuMgAl₂ и Mg₃Zn₃AI₂. При 480°C эти фалы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных M'-, Т'- и S'-фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465-475 °С) и старение (140°С, 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет σВ = 560...600 МПа; σ0,2 = 480...550 МПа; δ = 9... 12%; К1С = 30 МПа*м1/2; КСТ = 30кДж/м2; твердость – 150 НВ. Подобные сплавы, отличающиеся более высоким содержанием цинка, магния и меди, обладают повышенной прочностью. Так, сплав В96 имеет σв = 700 МПа; σ0,2 = 650МПа; δ = 7%; 190 НВ. Однако после указанной термической обработки сплавы имеют низкие пластичность и вязкость разрушения.

Для повышения этих характеристик  сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению при 100-120°С, 3-10 ч (первая ступень) и 160-170°С, 10-30 ч (вторая ступень). Столь высокие температуры и большие выдержки второй ступени старения приводят к образованию и коагуляции стабильных фаз M, S и Т. Предварительное зонное старение (первая ступень) способствует их равномерному распределению, поскольку в сплавах этой системы стабильные фазы образуются из зон Г – П. После смягчающего старения сплав В95пч имеет σв = 590...540 МПа; σ0,2 = 410…470 МПа; δ = 10…13; К1с = 36 МПа*м1/2; КСТ = 75 кДж/м2.

Сплавы применяют для  высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов). [4, с.135]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         2 ИЗОБРАЗИТЕ ДИАГРАММУ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

АУСТЕНИТА И ОПИШИТЕ МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

 

 

Изотермическое  превращение аустенита - это превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре.

Превращение аустенита  в перлит заключается в распаде  аустенита - твёрдого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-железо и цементит.

Реакция изотермического превращения аустенита: Fe_γ(C) → Fe_α + Fe₃C (цементит).

При температуре равновесия A₁ превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны. Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении.

На рисунке показано время превращения аустенита  в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т.е. превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми. Горизонтальная линия M показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения.

Свойства и строение продуктов  превращения аустенита зависят  от температуры, при которой происходил процесс его распада.

Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурой показывает обобщённая диаграмма превращения переохлаждённого аустенита в углеродистой стали.

В зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения мы имеем  такие области превращений аустенита:

I - превращение аустенит → перлит;

II - предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит → перлит;

III - предварительное выделение  цементита и затем превращение  аустенит → перлит;

IV - превращение аустенит  → бейнит;

V - превращение аустенит  → мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

VI - превращение аустенит  → мартенсит;

VII - переохлаждённый аустенит  сохраняется без превращения.

 

 

После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью.

Диаграмма изотермического  распада аустенита строится в  координатах температура – время; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения. Для более точной оценки превращений, совершающихся при непрерывно меняющейся температуре, пользуются так называемыми теркмокинетическими или анизотермическими диаграммами превращений аустенита, диаграммами, характеризующими превращение аустенита при различных скоростях охлаждения.