.
Жароміцні сталі і сплави. Жароміцними називають сталі і сплави, здатні працювати під напругою при високих температурах протягом визначеного часу і які володіють при цьому достатньою жаростійкістю.
Жароміцні сталі і сплави застосовують для виготовлення багатьох деталей казанів, газових турбін, реактивних двигунів, ракет і т.д., що працюють при високих температурах.
Жароміцні сталі завдяки невисокій вартості широко застосовуються у високотемпературній техніці, їхня робоча температура 500-750С.
Механічні властивості сталей перлітного класу (12ДО, 15ДО, 18ДО, 22ДО, 12Х1МФ): (у=360(490МПа, (0.2=220(280 МПа, (=24(19%. Чим більше в сталі вуглецю, тим вища міцність і нижча пластичність.
Сталі мартенсітного і мартенсіто-феррітного класів (15Х11МФ, 40Х9С2, 40Х10С2М) застосовують для деталей і вузлів газових турбін і паросилових установок.
Сталі аустенітного класу (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР) призначені для виготовлення пароперегрівників і турбоприводів силових установок високого тиску.
Жароміцні сплави на нікелевій основі знаходять широке застосування в різних областях техніки (авіаційні двигуни, стаціонарні газові турбіни, хімічне апаратобудування і т.д.).
Часто використовують сплав ХН70ВТЮ, що володіє гарною жароміцністю і достатньою пластичністю при 700-800 С. Нікелеві сплави для підвищення їхньої жаростійкості піддають алітуванню.
Сплави з ефектом “пам'яті форми”. Ці сплави після пластичної деформації відновлюють свою первісну геометричну форму чи в результаті нагрівання (ефект “пам'яті форми”), чи безпосередньо після зняття навантаження (зверхпружність).
В даний час відоме велике число подвійних і більш складних сплавів зі зворотним мартенситним перетворенням, що володіють у різному ступені властивостями “пам'яті форми”: Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Al-Ni і ін.
Найбільше широко застосовують сплави на основі мононікеліда титана NiTi, що одержали назву нітінол. Ефект “пам'яті форми” у з'єднанні NiTi може повторюватися протягом багатьох тисяч циклів. Нитинол має високу міцність ((у=770(1100МПа, (т=300(500МПа), пластичністю ((=100(15%), корозійної і кавитационной стійкістю і здатністю, що демпфірує. Його застосовують як магнітний високодемпфіруючий матеріал багатьох відповідальних конструкціях.
Сплави на основі титану. Сплави на основі титана одержали значно більше застосування, чим технічний титан. Легування титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si підвищує його міцність ((у, (0.2), але одночасно знижує пластичність і в'язкість (KCU). Жароміцність підвищують Al, Zr, Mo, а корозійну стійкість у розчинах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta і Pd. Титанові сплави мають високу питому міцність. Як і в залізних сплавах, що легують
елементи дуже впливають на поліморфні перетворення титана.
Сплав ВТ14 (Al - 5.5%, V - 1.2%, Mo - 3.0%) - (у=900-1050МПа, (=10%, KCU=0.5МДж/м2, (-1=400МПа.
Ливарні алюмінієві сплави. Сплави для фасонного лиття повинні володіти високою текучістю, порівняно невеликою усадкою, малою схильністю до утворення гарячих тріщин і пористості в сполученні з гарними механічними властивостями, опором корозії й ін.
Сплави Al-Si (силуміни). Відрізняються високими ливарними властивостями, а виливка - великою щільністю. Сплави Al-Si (ЧЕРВОНИЙ2, ЧЕРВОНИЙ4, ЧЕРВОНИЙ9) порівняно легко обробляються різанням. Заварку дефектів можна заробити газовим й аргонодуговим зварюванням.
Сплав ЧЕРВОНИЙ9 - (у=200МПа, (0.2=140МПа, (=5%.
Сплави Al-Cu. Ці сплави (ЧЕРВОНИЙ7, ЧЕРВОНИЙ19) після термічної обробки мають високі механічні властивості при нормальній і підвищеній температурах і добре обробляються різанням. Ливарні властивості низькі.
Сплав ЧЕРВОНИЙ7 використовують для виливка невеликих деталей простої форми, сплав схильний до тендітного руйнування. Сплав ЧЕРВОНИЙ7 - (у=240МПа,(0.2=160МПа, (=7%.
Сплави Al-Mg. Мають низькі ливарні властивості. Характерною рисою цих сплавів є гарна корозійна стійкість, підвищені механічні властивості й оброблюваність різанням.
Сплави ЧЕРВОНИЙ8, ЧЕРВОНИЙ27, ЧЕРВОНИЙ13 і ЧЕРВОНИЙ22 призначені для виливків, що працюють у вологій атмосфері, наприклад, у суднобудуванні й
авіації.
Сплав ЧЕРВОНИЙ8 - (у=350МПа, (0.2=170МПа, (=10%. Алюмінієві сплави мають малу щільність (2,5 - 3,0 г/см3) у сполученні з досить гарними механічними властивостями і задовільною стійкістю до окислювання. По своїм прочностним характеристиках і по зносостійкості вони уступають сталям, деякі з них також не мають гарну зварюваність, але багато хто з них мають характеристики, що перевершують чистий алюміній.
Ці повітряні конструкції виконані зі сплавів алюмінію Особливо виділяються алюмінієві сплави з підвищеною пластичністю, що містять до 2,8% Mg і до 2,5% Mn - вони володіють більшої, ніж чистий алюміній міцністю, легко піддаються витяжці, близькі по корозійній стійкості до алюмінію.
Дюралюміни - від французького слова dur - твердий, важкий і aluminium - твердий алюміній. Дуралюмини - сплави на основі алюмінію, що містять:
1,4-13% Cu,
0,4-2,8% Mg ,
0,2-1,0% Mn ,
іноді 0,5-6,0% Si ,
5-7% Zn ,
0,8-1,8% Fe ,
0,02-0,35% Ti і ін.
Дюралюміни - найбільш міцні і найменш коррозійно-стійкі з алюмінієвих сплавів. Схильні до межкристалічної корозії. Для захисту листового дюралюмінія від корозії його поверхню плакують чистим алюмінієм. Вони не мають гарну зварюваність, але завдяки своїм іншим характеристикам застосовуються скрізь, де необхідні міцність і легкість. Найбільше застосування знайшли в авіабудуванні для виготовлення деяких деталей турбореактивних двигунів.
Магналії - названі так через великий зміст у них магнію (Mg), сплави на основі алюмінію, що містять:
5-13% Mg ,
0,2-1,6% Mn ,
іноді 3,5-4,5% Zn ,
1,75-2,25% Ni ,
до 0,15% Be ,
до 0,2% Ti ,
до 0,2% Zr і ін.
Магналії відрізняються високою міцністю і стійкістю до корозії в прісній і навіть морській воді. Магналії також добре стійкі до впливу азотної кислоти HNO3 , розведеної сірчаної кислоти H2SO4 , ортофосфорної кислоти H3PO4 , а також у середовищах, що містять SO2 .
Застосовуються як конструкційний матеріал у :
авіабудуванні;
суднобудуванні;
машинобудуванні (зварені баки, заклепки, бензопроводи, мастилопроводи);
для виготовлення арматури будівельних споруджень;
для виготовлення деталей холодильних установок;
для виготовлення декоративних побутових предметів і ін.
При змісті Mg вище 6% магналії схильні до межкристаллической корозії.
Мають більш низькі ливарні властивості, чим силуміни.
Силуміни - сплави на основі алюмінію з великим змістом кремнію (Si).
До складу силумінів входять:
3-26% Si ,
1-4% Cu ,
0,2-1,3% Mg ,
0,2-0,9% Mn ,
іноді 2-4% Zn ,
0,8-2% Ni ,
0,1-0,4% Cr ,
0,05-0,3% Ti і ін.
При своїх щодо невисоких характеристиках по міцності силуміни мають найкращі з всіх алюмінієвих сплавів ливарні властивості.
Вони найбільше часто використовуються там, де необхідно виготовити
тонкостінні чи складні за формою деталі.
По корозійній стійкості займають проміжне положення між дюралюмінами і магналіями.
Знайшли своє основне застосування в:
авіабудуванні;
вагонобудуванні;
автомобілебудуванні і будівництві сільськогосподарських машин для виготовлення картерів, деталей коліс, корпусів і деталей приладів.
САП - сплави, що складаються з Al і 20-22% Al2O3 .
Одержують спіканням окисленого алюмінієвого порошку. Після спікання частки Al2O3 відіграють роль укріплювача.
Міцність даного з'єднання при кімнатній температурі нижче, ніж у дюралюмінів і магналіїв, але при температурі яка перевищу 200 °С перевершує їх.
При цьому САП мають підвищену стійкість до окислювання, тому вони незамінні там, де температура експлуатації перевищує 400 °С . Нейтралізуючий агент необхідний для нейтралізації соляної кислоти HCl при шлунково-кишкових захворюваннях.
Плакування - (від французького plaquer - накладати) нанесення методом гарячої чи прокатки пресування на поверхню металевих аркушів тонкого шару іншого чи металу сплаву.
Сплави на основі магнію. Сплави магнію мають малу щільність, високою питомою міцністю, добре поглинають вібрації, що визначило їхнє широке використання в авіаційній і ракетній техніці. Однак сплави магнію мають низький модуль нормальної пружності 43000МПа і погано пручаються корозії.
Ливарні сплави. Широко застосовується сплав МЛ5, у якому сполучаються високі механічні і ливарні властивості. Він використовується для лиття навантажених великогабаритних виливків.
Сплав МЛ6 володіє кращими ливарними властивостями, чим МЛ5, і призначається для виготовлення тяжелонагруженних деталей.
Сплав МЛ5 - (у=226МПа, (0.2=85МПа, (=5%.
Деформируемие сплави. Ці сплави виготовляють у виді горячекатаних прутків, смуг, профілів, а також кувань і штампових заготівель.
Сплав МА1 має порівняно високу технологічну пластичність, гарною зварюваністю, однак схильний до корозії під напругою, піддається усім видам листового штампування і легко прокочується.
Сплав МА1 - (у=190-220МПа, (0.2=120-140МПа, (=5-10%.
Сплави на основі міді. Розрізняють дві основні групи мідних сплавів: 1) латуні - сплави міді з цинком; 2) бронзи - сплави міді з іншими елементами. Мідні сплави мають високі механічні і технічні властивості, добре пручаються корозії і зносу.
Латуні.
Латунями називають подвійні чи багатокомпонентні сплави на основі міді, у яких основним легуючим елементом є цинк.
Коли потрібно висока пластичність, підвищена теплоотводность застосовують латуні з високим змістом міді (Л06 і Л90). Латуні Л62, Л60,Л59 з великим змістом цинку мають більш високу міцність, краще обробляються різанням, дешевше, але гірше пручаються корозії.
Латунь ЛЦ40С - (у=215МПа, (=12%, 70НВ.
Олов'яні бронзи. Володіють гарними ливарними властивостями і
застосовуються для лиття деталей складної форми. Недоліком виливків з олов'яних бронз є велика мікропористість. Їх часто застосовують для виготовлення антифрикційних деталей.
Бронза БрО3Ц12С5 - (у=200МПа, (=5%.
Лазерні процеси; ефективність та галузі їх застосування
Перші лазери з'явилися наприкінці 1950-х - початку 1960-х років, однак уже сьогодні можна назвати більш 350 різних їхніх застосувань майже у всіх сферах діяльності людини. Серед них найбільш поширена лазерна обробка матеріалів. Лазерна технологія виявилася досить динамічною і самостійною областю сучасного Машино- і приладобудування, що по обсязі капіталу виходить на бататоміліардні обороти. Найбільше ефективно технологічне застосування лазерного випромінювання в мікро обробці, розкрої і різанні матеріалів, з міцніючої поверхневої обробки, зварюванню, маркіруванні, гравіюванні, поверхневій очищенні матеріалів, вирощування трьох мірних об'єктів, формуванні виробів складної просторової форми з листового металу, спеціальних операціях лазерної обробки.
Лазерні системи поділяються на три основні групи: твердотільні лазери, газові, серед яких особливе місце займає CO2-лазер; і напівпровідникові лазери. Якийсь час назад з'явилися такі системи, лазери, що як перебудовуються, на барвниках, твердотільні лазери на активованих стеклах.
Застосування лазерів при мікро обробці звісно що з часу їх появлення. Завдяки специфічним властивостям лазерного випромінювання, характерної високої концентрацій, електромагнітна енергія може бути значно локалізована, що дозволяє контрольовано видаляти мікроскопічні обсяги матеріла і в такий спосіб виконувати прецизійну обробку. В даний час можна одержувати мікроотвори у різних матеріалах незалежно від їхніх властивостей.
Розкрій і різання матеріалів. Застосування лазера при розкрої і різанні зараз дуже поширено, тому що одночасно з високою точністю обробки забезпечується значна економія матеріалу за рахунок дуже малої ширини різа і раціональної системи розкрою в порівнянні з традиційними технологіями. При цьому ефективність вирізування виробів складного профілю при звичайної вирубною штампуванню листових виробів.
Лазерної розкрій матеріалів широко використовується в сучасної автомобільної, аерокосмічний, суднобудівної, електротехнічної промисловості, сільськогосподарському машинобудуванні, легкої промисловості. Останнім часом розвивається і досить специфічне застосування лазерного розкрою, наприклад, в енергетичній промисловості. Так, на атомних станціях при виконання монтажних і ремонтних робіт
устаткування часто виникає потреба в дистанційній обробок (різанню) різних металевих виробів при високих рівнях радіації. Яскравим прикладом специфічних можливостей лазерного різання є розробка лазерного комплексу для проведення демонтажних робіт в об'єкті "Укриття" Чорнобильської атомної станції.
Зварювання. Завдяки високій концентрації енергії і можливості досить гнучкого керування нею в просторі і часі лазерний промінь став універсальним термічним джерелом для виконання нероз'ємних з'єднань з різних матеріалів. В даний час з його допомогою можна з'єднати тонкий провідник з металевою мікро плівкою. Лазерним променем можна зварювати і сталеві деталі товщиною більш десятка сантиметрів з досить високою якістю з'єднання, якого не можна досягти іншими методами зварювання. Крім з'єднань сталей різних типів, лазерна технологія виявилася дуже ефективної при зварюванні алюмінію й алюмінієвих, а також титанових сплавів. Завдяки можливості дуже якісного зварювання металевих аркушів різної товщини створена нова технологія штампування великогабаритних деталей складної просторової форми з різної товщини листових заготівель.
Маркірування, гравіювання, нанесення і зчитування інформаційних знаків.
На відміну від традиційних методів лазерна технологія дозволяє проводити маркірування на будь-яких матеріалах безконтактна і з дуже великою швидкістю при забезпеченні надзвичайно високої якості. Його можна проводити не тільки на поверхні, але й усередині обсягу матеріалу, прозорого для лазерного променя.
Виконання художні написів, малюнків, різних гравірованих робіт добре зарекомендувало себе в ювелірній промисловості, при виготовленні сувенірних виробів з металу, дерева, скла, каменю...Виявилося можливим виготовлення компакт-дисків двошаровим, причому верхній шар є прозорим для лазерного випромінювання. Таким чином, потрібна інформація спочатку наноситься сфальцьованим променем на перший шар, а потім при зсуві фокальної плями на поверхню другого шару запис інформації (чи її зчитування) може бути продовжена. У результаті її обсяг, записаний на такому диску, зростає вдвічі.
Динамічне балансування. Ряд сучасних дуже відповідальних прецизійних виробів має вузли, що вимагають специфічної операції – динамічного балансування, тобто точного видалення зайвої маси поверхні чи вузла деталі, що обертається з великою швидкістю, для забезпечення стабільної роботи виробу. До таких виробів можна віднести суднові й авіаційні гіроскопи, швидкісні електродвигуни і т.п..
Поверхневе очищення матеріалів. Вона посилено розвивається в останні роки. Якщо донедавна досить поширено було тільки лазерне видалення ізоляції з кінців проводів перед їхнім з'єднанням з відповідними електричними (електронними) елементами, то зараз з'являються усе більш незвичайні і навіть екзотичні застосування.
Видалення ізоляції - саме по собі дуже ефективний процес: швидкодіючий, легко контрольований, безконтактний (не викликає ушкодження провідника).
Це дуже важливо для надтонких мікро провідників і різних деталей мікроелектроніки. Висока якість очистки головним чином досягається завдяки значної поглинаючою здатності різних органічних матеріалів (зокрема , полімерних ізолюючих покрить) в умовах їхнього опромінення інфрачервоним променем лазерів з довжиною хвилі 10,6 чи 1,06 км. Така технологія також використовується для очищення поверхонь відповідальних деталей від промислового бруду, різного роду поверхневих включень у матеріалі й ін. замість традиційних хімічних методів очищення.
Формування виробів складної просторової форми з листового металу. Завдяки можливості дуже точно контролювати подачу теплової енергії в зону лазерної дії і її переміщення по поверхні оброблюваного матеріалу з'явилася технологія програмованої зміни форми листового металу за рахунок термічних деформацій, генерованих лазерним променем. За новою технологією без використання традиційних дороги деформуючих інструментів можна виготовити трубчасті деталі, хвилясті поверхні, згинати металевий матеріал відповідно до заданої програми. Ця технологія добре себе зарекомендувала увипадках, коли потрібно виготовити невелику партію складних деталей з металевого листа, а проектування і виготовлення складного деформуючого інструмента не окупається. Відомо експериментальне використання випромінювання могутнього СО2-лазера зміни просторової форми листа прокатної сталі товщиною 25 мм.
Спеціальні операції лазерної обробки. Специфічні особливості
використання лазерного променя як універсального інструмента дають можливість постійно пропонувати вага нові і нові технологічні застосування лазерів. Значної ефект дає комбінування лазерної технології з іншими технологічними методами. Так, Використання лазерного локального нагрівання шаруючи матеріалу перед його видаленням механічним режущем інструментом значно полегшує процес механічної обробки надтвердих матеріалів, підвищує стійкість інструмента, що ріже.
Можливості технологічного застосування лазерного випромінювання далеко не вичерпані, про що свідчать результати численних новітніх публікацій. Подальший розвиток лазерної техніки і технології дозволяє виробнику одержати значні переваги в умовах складної конкуренції сучасної глобальної економіки.
Процес кристалізації металів і сплавів, графічне зображення процесукристалізації
Будь-яка речовина може знаходитися в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інше, якщо новий стан у нових умовах є більш стійким, має менший запас енергії. Зі зміною зовнішніх умов вільна енергія змінюється по складному законі по-різному для рідкого і кристалічного станів. Для початку процесу кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі і супроводжувався зменшенням вільної енергії системи. Це можливо при охолодженні рідини нижче температури ТS.
Температура, при якій практично починається кристалізація називається фактичною температурою кристалізації.
Ступінь переохолодження залежить від природи металу, від ступеня його забруднення (чим чистіше метал, тим більше ступінь переохолодження), від швидкості охолодження (чим вище швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження).
Розглянемо перехід металу з рідкого стану у тверде.
При нагріванні всіх кристалічних тіл спостерігається чітка границя переходу з твердого стану в рідке. Така ж границя існує при переході з рідкого стану у тверде.
Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічних ґрат у рідкій фазі і ріст кристалів з центрів, що утворилися.
Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до
термодинамічно до більш стійкого стану з мінімумом вільної енергії. Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічне можна зобразити кривими в координатах час – температура.
При відповідному зниженні температури в рідкому металі починають утворюватися кристалики – центри чи кристалізації зародки. Для початку їхнього росту необхідне зменшення вільної енергії металу, у противному випадку зародок розчиняється.
Мінімальний розмір здатного до росту зародка називається критичним розміром, а зародок – стійким.
Перехід з рідкого стану в кристалічне вимагає витрати енергії на
утворення поверхні роздягнула рідина – кристал. Процес кристалізаціїбуде здійснюватися, коли виграш від переходу у твердий стан більше втрати енергії на утворення поверхні роздягнула.
Зародки з розмірами рівними і великими критичного ростуть зі зменшенням енергії і тому здатні до існування.
Центри кристалізації утворяться у вихідній фазі незалежно друг від друга у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але в міру зіткнення і зрощення з іншими кристалами форма порушується. Ріст продовжується в напрямках, де є вільний доступ живильної середовища.
Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло.
Якісна схема процесу кристалізації може бути представлена кількісно кінетичної кривої .
Процес спочатку прискорюється, поки зіткнення кристалів не починає перешкоджати їхнього росту. Обсяг рідкої фази, у якій утворяться кристали зменшується. Після кристалізації 50 % обсягу металу, швидкість кристалізації буде сповільнюватися. Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації і рости кристалів з цих центрів.
У свою чергу, число центрів кристалізації (ч.ц.) і швидкість росту кристалів (с.р.) залежать від ступеня переохолодження .
Розміри кристалів, що утворилися, залежать від співвідношення числа центрів кристалізації, що утворилися, і швидкості росту кристалів при температурі кристалізації.
При рівноважній температурі кристалізації ТS число центрів
кристалізації, що утворилися, і швидкість їхнього росту дорівнюють нулю, тому процесу кристалізації не відбувається.
Якщо рідина переохолодити до температури, що відповідає т.а, то утворяться великі зерна (число центрів, що утворилися, невелике, а швидкість росту - велика).
При переохолодженні до температури відповідної т.у – дрібне зерно (утвориться велике число центрів кристалізації, а швидкість їхнього росту невелика).Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість росту кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утвориться аморфне тіло. Для металів, що володіють малою схильністю до переохолодження, експериментально виявляються тільки висхідні галузі кривих.
|