Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Структура и свойства

В дисперсно-упрочненных КМ наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов(Al2O3, SiO2, ВN, SiC и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относят­ся высокие значения модуля упругости,. низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния, — большая распространенность в природе и невысокая стои­мость образующих их элементов. Дисперсно-упрочненные КМ в основном получают порошковой техно­логией, но существуют и другие способы, например метод непосредствен­ного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разлив­кой.

Волокнистые композиционные материалы

Структура и свойства

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, Аl2Оз, SiС и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высоко­прочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.

Билет №21

1.Сталь 20. Фазовые превращения при охлаждении в равновесное состояние. Структура. Свойства. Типичная ТО и типичное применение.

Назначение:

После нормализации или без термообработки крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников и другие детали, работающие при температуре от -40 до 450°С под давлением, после ХТО - шестерни, червяки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины.

1–2 – первичная кристаллизация, образование аустенитной структуры

2–3 – охлаждение твердого сплава (превращений нет)

3–4 – вторичная кристаллизация; 3 – образование насыщенного твердого раствора углерода в Fe_. Понижение температуры приводит к диффузии избыточного углерода к граница зерен, в результате на границах образуются зоны с высоким содержание углерода, которые превращаются в Ц.

4–4' – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конец превращения; t = 727° C =const .

Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичной кристаллизации, Ц_III из феррита (теоретически).

2.Термическая обработка металлов и сплавов, не имеющих превращений в твёрдом состоянии. (Термическая обработка металлов и сплавов, не связанная с фазовыми превращениями.)

Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация).

Нагрев для снаятия остаточных напряжений : для уменьшения ост напряж. Изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряж вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при темпер-ре нагрева.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение ост напряжений происходит в процессе выдержки при 450 градусах, после выдержки про 600 град, напряжения понижаются до очень низких значений.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев деталей выше темп рекристаллизации. В процессе выдержки происходит главным образом рекрисатллизация. Цель – понижение прочности и восстановление пластичности дефор металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств; и заданного размера зерна. (темперетура = 150 + темп-ра рекр-ции).

Диффузионный отжиг (гомогенизациия) – длительная выдержка сплавов при высоких темпер-х, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность тв раствора.

Внутрекристаллическая ликвация – сердцевина кристаллов обогощена тугоалавким компонентом сплава, а наружные части – компонентом, понижающим температуру плавления.

3.Высокопрочные сложно-легированные и мартенситностареющие стали. Основные легирующие компоненты, их назначение.

. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей.

4. Ванадий. Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам.

5. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

Билет №22

Диаграмма состояния двойных сплавов с промежуточной фазой ?(постоянного состава AmBn). Её структурный и фазовый анализ с применением правила отрезков и правила концентраций. (5 билет в шпорах pdf)

abc – линия ликвидус; X_b – химический состав эвтектики.

adec – линия солидус.

df, eg – линии предельной растворимости в твердом состоянии.

альфа– ограниченный твердый раствор компонента А в компоненте В.

бета– ограниченный твердый раствор компонента B в компоненте А.

Применим правило отрезков для линий adf, fdeg и ceg. Для сплава состава x при температуре t_i (точка i). Две фазы: жидкость и -кристаллы: ; .

Для сплава x при температуре t_l (точка l). Две фазы альфа и бета: ; .

Для двухфазной области fdeg правило отрезков также работает. Изменение относительного количества и химического состава в этой области происходит за счет изменения растворимости компонентов друг в друге и соответствующих диффузионных процессов перераспределений внутри сплавов.

2.Распределение легирующих элементов в сплаве. Влияние легирующих элементов на свойства.

1. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей.

4. Ванадий. Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам.

5. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

3.Износ. Критерии оценки. Способы повышения стойкости. Материалы, устойчивые к образивному изнашиванию. Устойчивые материалы для работы в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Стали с высокой контактной выносливостью.

Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения.

Результат изнашивания называется износом.

t= Δh/v

t –время

Δh - заданный износ

V – скорость изнашивания.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от 3 групп факторов:

Внутреннех, определяемых св-вами материала

Внешние, характеризующие вид трения (скольжения, качения). И режим работы

Рабочие среды и смазочный материал.

Способы повышения стойкости: правильный подбор материала рабочих деталей (в подшипниках это тв матрица + мягкие частицы. И наоборот: мякая матрица и тв частицы) Тверд фаза обеспечивает износостойкость, а мягк фаза обеспечивает прирабатываемость.

Износостойкость пра абразивном изнашивании чистых металлов пропроционально твердости: ε=bHB (b коэф.ε – относит удлнинение. )

Карбидные сплавы - применяют при наиболее тяжелых условиях работы.

Для деталей, работающих в условиях больших ударных нагрузках применяют материалы с повышенным содержанием марганца:

370Х7Г7С или аустенитной матрицей 110Г13.

Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения применяют для более легких условий изнашивания.

Билет №23

1. Сталь 45. Фазовые превращения при охлаждении в равновесное состояние. Структура. Свойства. Типичная ТО и типичное применение.

- то же самое только на участке 1-2 L+Ц, , 2-2’ L+Ц+Л_А, далее все тоже самое только без Перлита.

Применение - Вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностнй термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

ТО – закалка + отпуск.

2. Влияние углерода и легирующих элементов на критическую скорость охлаждения, на прокаливаемость, на температурный интервал мартенситного превращения. Обработка сталей холодом.

Критическая скорость охлаждения – минимальная скорость охлаждения стали, при которой не происходит распада аустенита с образованием перлита (t = 727° C).

При охлаждении со скоростью v_кр кривая охлаждения касательна к линии начала распада А. При скорости v₁<v_кр – низкая скорость охлаждения – идет процесс распада А, закалки не происходит. При v₂>v_кр – происходит закалка с образованием мартенсита. При v₃<v_кр происходит неполная закалка, часть кристаллов А распадается, часть – превращается в мартенсит.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).

3. Бериллий.

Бериллий – Металл, обладающий полиморфизмом.

Полиморфизм – свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Вeα Û Вeβ.

Обладает очень высокие удельную прочность и жесткость, имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопроводностью и электропроводностью, демфирующей способностью и др ценными св-вами.

Рассмотрим процесс крист-и. В жидкости атомы расположены беспорядочно… при переходи из жид сос-я в тв атомы группируются, образуя зародышы. Зародыш – это объем тв тела в поверхностью раздела между ним и жидкостью.

Билет №24

1. Кристаллизация металлов из жидкого состояния. Теория затвердевания. Модифицирование. Строение слитка.

Строение металлического слитка.

Зона I: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие, равноосные кристаллы.

Зона II: Быстрое охлаждение, большая разность температур, мелкие кристаллы, растущие навстречу оттоку тепла. Игольчатые (столбчатые) дендриты.

Зона III: Центральная часть слитка. Медленное охлаждение. Форма кристаллов: крупные равноосные. Чем ближе к центру, тем больше содержание вредных примесей. Примеси можно удалить механически,

Зона IV: В верхней части слитка, концентрируется наибольшая часть легких примесей (шлаки), газовых пузырей, трещин, раковин, и т. д. После изготовления эту часть удаляют.

Наиболее качественными являются слитки с одинаковой структурой кристаллов по всему объему, поэтому зону I часто механически удаляют.

Кристаллизация – переход из жидкого в твердое состояние с образование кристаллической решетки.

На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую МОДИФИЦИРОВАНИЕ. Она состоит во введении в жидкий сплав перед разливкой спец добавок – модификаторов.

Кристаллизация - это переход жидкого или газообразного вещ-ва в твердое с образованием кристаллической структуры. Кристаллизация – это фазовое превращение. Из жид сост в тверд. Фаза - это часть сплава, отделенная поверхностью раздела и потличающаяся неприрывностью состава, крист структурой и свойств по всему объему, и скачкообр изменением всех параметров при переходе через границу.

Рассмотрим процесс крист-и. В жидкости атомы расположены беспорядочно… при переходи из жид сос-я в тв атомы группируются, образуя зародышы. Зародыш – это объем тв тела в поверхностью раздела между ним и жидкостью. При образовании зародышей конкурируют 2 процесса: понижение энергии Гиббса, при образовании тв фазы и увеличение поверхности раздела.

2. Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов.

Положительные свойства алюминия:

– дешевизна;

– хорошо отработанные технологии получения;

– низкий удельный вес (2,7 г/см³);

– высокая пластичность;

– высокая тепло- и электропроводность;

– коррозионная стойкость (наличие оксидного слоя Al₂O₃);

Отрицательные свойства алюминия:

– низкая прочность (_в = 100 МПа);

– плохие литейные качества;

– требует специальных методов пайки и сварки;

Алюминий применяется как конструкционный материал. Из него изготавливают слабонагруженные детали в химических аппаратах.

Маркировка алюминия:

Основные цели легирования алюминия: повышение прочности, улучшение литейных качеств. Основные легирующие металлы: медь, магний, марганец.

Обобщенная диаграмма состояния сплавов алюминия с легирующими элементами.

(1) – Деформируемые сплавы: (1а) – деформируемые неупрочняемые сплавы; (1б) – деформируемые упрочняемые сплавы; (2) – Литейные сплавы.

Деформируемые неупрочняемые сплавы: (Al + Mg, Mg < 6%; Al + Mn, Mn < 1,5%). Особенность: Однородная структура,  твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Цель легирования: повышение прочности (_в = 200 МПа). Детали из таких сплавов сохраняют пластичность алюминия, используются для слабонагреваемых деталей, получаемых методом пластичного деформирования.

Маркировка: АМг6 (6% Mg); АМц (1% Mn).

Деформируемые упрочняемые сплавы: (Al + Cu + Mg – дюралюминий). Особенность: Если в литом состоянии алюминий легирован медью и магнием, то сплав похож на предыдущий (при литье_в = 200 Мпа). Такой сплав подвергается термическому упрочнению. Процесс упрочнения состоит в следующем: закалка и старение. DF – линия предельной растворимости.

Закалка – нагрев выше температуры DF и охлаждение со скоростью выше критической; результат – образование пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (после закалки_в = 250 Мпа).

Старение – выдержка при нормальной или повышенной температуре.

За счет диффузии атомы легирующего элемента перемещаются и образуют внутри кристаллические зоны с повышенной концентрацией, в результате эти зоны играют роль барьеров при деформации кристаллов (_в = 500–550 МПа).

Старение при нормальной температуре – естественное старение.

Старение при повышенной температуре – искусственное старение.

3. Низколегированные стали для режущего и измерительного инструмента.

низколегированные

У10 - инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры.

Билет №25

1. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости. … Дендритная ликвация и способы её устранения.

Компоненты имеют близкие атомные параметры и кристаллические решетки.

– твердый раствор компонентов А и В друг в друге. Для разных веществ химический состав кристаллов  будет разный. Кристаллы в ходе кристаллизации имеют разный химический состав между точками (1) и (2). Диаграммы такого типа имеют компоненты близкие по атомным параметрам и по типу кристаллической решетки.

Ликвация – процесс, при котором часть структуры сплава отличается по своему химическому строению от основного состава. В реальных сплавах всегда происходит процесс ликвации.

Рост зерен в слитках происходит по дердритному механизму (древовидному). В результате вырастают длинные ветви первого порядка, из них ветви второго…. Дендритная ликвация является дефектом.

Для получения слитка с благоприятной зеренной структурой необходимо изменить технологию литья (условия кирсталлизации) и применить разные способы воздействия на расплав.

Изменение технологии: 1) в настоящее время Непрерывная Разливка Стали (НРС) позволяет позволяет получить значительно качественный слиток.

2) физ воздействие при кристаллизации, при кристаллизации под давлением, при жидкой штамповке.

2. Общие закономерности, свойственные химико-термической обработке. Факторы, влияющие на глубину слоя.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Например,

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

3. Коррозионная стойкость. (*Хромистые и хромо-никелиевые нержавеющие стали).

Коррозия – самопроизвольное разрушение мателлич материалов вселдствие химического или электрического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионно-стойкие материалы – металл и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью.

Коррозионно-стойкие стали являются высоколегированными и содержат не менее 13% хрома, что обеспечивает на поверхности металла пассивирующей защитной пленки.

Аустенитные: 12Х18Н9

Аустенитно-ферритные: 078Х22Н6Т

Ферритные: 08Х13

Суммарное влияние феррито- и аустенитообразующих элементов характеризуют эквиваленты хрома и никеля

Cr_экв= Cr=2Si+1.5Mo+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W

Ni_экв= Ni+0.5Mn+30C+30N+0.3Cu

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: