Лекции по "Материаловедению"

Сплавы с малым количеством  кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью, но минимальной прочностью, Поэтому их используют для чистового точения (ВК3, Т30К4).

Сплавы с повышенным содержанием  кобальтаиспользуют для чернового  точения (ВК8, Т14К8).

Сплав ВК20 начинают использовать для армирования штампов, что повышает их износостойкость.

Износостойкость инструментов из твердых  сплавов превышает износостойкость  инструментов из быстрорежущих стале  в 10…20 раз и сохраняется до температур 800…1000^oС.  

Алмаз как материал для  изготовления инструментов 

80 % добываемых природных  алмазов и все синтетические  алмазы используются в качестве  инструментальных материалов.

Основное количество алмазов используется в виде алмазного порошка для  изготовления алмазно-абразивного  инструмента – шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., для обработки особо твердых металлов и горных пород. Большое значение имеют заточные круги для твердосплавного инструмента, это увеличивает производительность труда и срок службы инструмента. Повышение стойкости твердосплавного инструмента обеспечивается высокой чистотой (отсутствие зазубрин, мелких трещин) лезвия инструмента.

Алмазный инструмент изготовляется  в виде алмазосодержащих кругов с  бакелитовой или металлической  связкой.

Также изготавливают алмазные резцы (для обработки корпусов часов), фильеры (для волочения проволоки из высокотвердых и драгоценных металлов) и др.

Цветные металлы и  сплавы на их основе. Титан и его  сплавы. Алюминий и его сплавы. Магний и его сплавы. Медь и ее сплавы  

 

1. Медь и ее сплавы
2. Титан и его сплавы
3. Области применения титановых сплавов:
4. Алюминий и его сплавы
5. Алюминиевые сплавы.
6. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.
7. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.
8. Литейные алюминиевые сплавы.
9. Магний и его сплавы
10. Деформируемые магниевые сплавы.
11. Литейные магниевые сплавы.
12. Медь и ее сплавы
13. Латуни.
14. Бронзы

 

 

Медь и ее сплавы 

 

Цветные металлы являются более  дорогими и дефицитными по сравнению  с черными металлами, однако область  их применения в технике непрерывно расширяется. Это сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди.

Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет  сырьевую базу. Титан, алюминий, магний можно получать из бедных и сложных  по составу руд, отходов производства.

Титан и его сплавы  

 

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680^oС.

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 882^oС титан претерпевает полиморфное превращение, –титан с гексагональной решеткой переходит в – 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 500^oС 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 ( МПа) с хорошей пластичностью ( );
• малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;
• хорошая жаропрочность, до 600…700^oС;
• высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

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.

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 –253^oС).

 

 

Алюминий и его сплавы  

 

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов. 

 

Алюминиевые сплавы. 

 

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер  сплава. За условным номером следует  обозначение, характеризующее состояние  сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам  сплавы подразделяются на три группы:

• деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:
• деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;
• литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии  изготовляют спеченные алюминиевые  сплавы (САС) испеченные алюминиевые  порошковые сплавы (САП). 

 

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.  

 

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как  упрочнитель, марганец упрочняет и  повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для  горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций. 

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые  термической обработкой. 

 

К таким сплавам относятся дюралюмины ( сложные сплавы систем алюминий –  медь –магний или алюминий –  медь – магний – цинк). Они имеют  пониженную коррозионную стойкость, для  повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые  сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и  диски осевых компрессоров, турбореактивных  двигателей. 

 

Литейные алюминиевые  сплавы. 

 

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан  и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют  для изготовления литых деталей  приборов и других средне- и малонагруженных  деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы. 

 

Магний и его сплавы  

 

Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см³. Температура плавления – 650^oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся  на деформируемые и литейные.

Сплавы упрочняются после закалки  и искусственного старения. Закалку  проводят от температуры 380…420^oС, старение при температуре 260…300^oС в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа. 

 

Деформируемые магниевые сплавы. 

 

Магний плохо деформируется  при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается  при горячей обработке давлением (360…520^oС). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью. 

 

Литейные магниевые  сплавы. 

 

Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300^oС.

Отливки изготавливают литьем в  землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание  сплава при плавке, в процессе литья.

Из  литейных сплавов изготавливают  детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.

Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в  самолето- и ракетостроении. 

 

Медь и ее сплавы 

 

Медь имеет гранецентрированную  кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083^oС.

Характерным свойством меди является ее высокая  электропроводность, поэтому она  находит широкое применение в  электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).

Механические  свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами. 

 

Латуни. 

 

Латуни могут иметь в своем  составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

По  способу изготовления изделий различают  латуни деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой  следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы ( О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.