Диаграмма состояния системы алюминий-медь

Вопрос
1. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-медь. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

Наиболее важной примесью в дуралюмине является медь.

Диаграмма состояния сплавов А1—Си (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твер­дый раствор с

ограниченной растворимостью, уменьшающейся с по­нижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная

кристаллизация, связанная с ча­стичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно под­вергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке

0

.

100

0,05 5,7 10 20 30 33

Диаграмма состояния сплавов алюминий — медь.

и ста­рению .Из диаграммы состояния А1 — Си следует, что наибольшая рас­творимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет

5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алю­минии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%. Если сплавы с содержанием меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть за­калке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 — Си), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах А1 — Си, является твердое и хрупкое хими­ческое соединение СиА12
.

Распад пересыщенного твердого раствора может протекать в течение длительного времени при вылеживании сплава при ком­натной температуре (естественное старение) и более быстро при повышенной температуре (искусственное старение). В результате старения твердость и прочность сплава повышаются, а пластич­ность и вязкость снижаются.

Согласно теории старения, наиболее полно разработанной с помощью правил Курнакова, процесс старения в сплавах протекает в несколько стадий. Упрочнение сплавов, наблюдающееся в результате старения, соответствует периоду выделения избыточных фаз в высокодисперсном состоянии. Происходящие в структуре изменения можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Обычно эта стадия процесса протекает у закаленных сплавов при естественном старении. При этом твердость и прочность сплава повышаются.

При нагреве закаленных сплавов до сравнительно низких температур, разных для различных сплавов (искусственное старе­ние), протекает вторая стадия, состоящая в укрупнении частиц выделившихся фаз. Этот процесс можно наблюдать при помощи оптического микроскопа. Появление в микроструктуре укрупнен­ных выделений фаз-упрочнителей совпадает с новым изменением свойств — снижением прочности и твердости сплава и повышением его пластичности и вязкости. Старение наблюдается только у спла­вов, которые имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимо­стью, уменьшающейся с понижением температуры. Так как большое количество сплавов имеет диаграмму этого типа, то явление старе­ния весьма распространено. На явлении старения основана термиче­ская обработка многих цветных сплавов — алюминиевых, медных и др.

В рассмотренных выше сплавах А1 — Си этот процесс протекает следующим образом. При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование зон (дисков) с повышенным содер­жанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье — Престона, равна двум-трем атомным слоям. При нагреве до 100° и выше эти зоны превращаются в так называемую Ө - фазу, являю­щуюся неустойчивой аллотропической модификацией химического соединения СиА12
. При температуре выше 250° фаза 9' превращается в фазу Ө (СиА12
). Дальше происходит укрупнение выделений фазы Ө (СиА12
). Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.

В дуралюмине марки Д1 в процессе распада твердого раствора выделяется также фаза Ө, а в дуралюмине марки Д16 таких фаз несколько.

Технология термической обработки деталей из дуралюмина состоит из закалки, проводимой с целью получения пересыщенного твердого раствора, и естественного или искусственного старения. Для закалки детали нагревают до 495° и охлаждают в холодной воде.

Закаленные детали подвергают естественному старению путем выдерживания их при комнатной температуре. После 4—7 суток вылеживания детали приобретают наиболее высо­кую прочность и твердость. Так, предел прочности дуралюмина марки Д1, находящегося в отожженном состоянии, составляет 25 кг/мм2
,
а твердость его равна Н В
=
45; после закалки и естест­венного старения предел прочности равен 40 кг/мм2
,
а твердость повышается до Нв
= 100.

Время, необходимое для распада твердого раствора, может быть сокращено до нескольких часов путем нагрева закаленного дуралюмина до 100 - 150◦
(искусственное старение), однако значения твердости и прочности при искусственном старении несколько ниже, чем при естественном. Несколько снижае5тся и коррозионная устойчивость. Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6.Дуралюмины марок ДЗП и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью.

Дуралюмины получили широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиастроении, вследствие малого удельного веса и высоких механических свойств после термической обработки.

При маркировке дуралюмининов буква Д обозначает «дуралюмин», А цифра - условный номер сплава.

2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Сплавы железа с углеродом условно относят к двухкомпонентным сплавам. В их составе, кроме основных компонентов — железа и углерода, содержатся в небольших количествах обычные примеси— марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы — азот, кислород, водород и иногда следы некоторых других элементов. Железо с углеродом образует устойчивое химическое соединение Fe3
C(93,33% Fe и 6,67% С), называемое кар­бидом железа или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с кар­бидом железа (система Fe—Fe3
C), в которых вторым компонентом является цементит.

При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет сво­бодного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут являться карбид железа и углерод; сплавы будут относиться ко второй системе Fe3
C—С, которая исследована недостаточно. Кроме того, железо­углеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% обладают большой хрупкостью и практически не применяются.

Сплавы Fe—Fe3
C (с содержанием С до 6,67%), наоборот, имеют большое практическое значение. На рис. 2 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe—Fe3
C, построенная в координатах температура — концентрация. По оси ординат отложены темпера­туры нагрева сплавов, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует 100% содержанию железа, а правая ордината—содержанию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe3
C).

На правой ординате отложена температура плавления Fe3
C, соответствующая 1550° (точка D
на диаграмме).

В связи с тем что железо имеет модификации, на левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка А
на диаграмме), отложены также температуры аллотропических превращений же­леза: 1390° (точка N
)
и 910° (точка G).

Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компо­нентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точ­ки, соответствующие сплавам разной концентрации от 0 до 6,67% С

Рис. 2. Структурная диаграмма состояния сплавов
Fe
—
Fe
3

C
.

В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образоваться, что зависит от содержания кремния, мар­ганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe—Fe3
C и Fe3
C—С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой сплавов Fe—С, не имеющей химических соединений.

2.1 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Микро­скопический анализ показывает, что в железоуглеродистых сплавах образуется шесть структурных составляющих, а именно: феррит, цементит, аустенит и графит, а также перлит и ледебурит.

Ферритом
называют твердый раствор внедрения углерода в Fea
. Так как растворимость углерода в Fe« незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fea
. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроско­пом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен раз­личной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25 кг/мм2
,
твердость НВ
=
80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768° (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше — пара­магнитен.

Цементитом
называют карбид железа Fe3
C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен раз­личной величины. Цементит тверд (НВ
> 800 ед.) и хрупок, а от­носительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выде­ляющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (пер­вичный цементит или Ц1
), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц2
). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ
на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц3
. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц — пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210° (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее — парамагнитен.

Аустенитом
называют твердый раствор внедрения углерода в FeY
. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двой­никами). Твердость аустенита равна НВ
=
220. Аустенит парамаг­нитен.

Графит
имеет неплотноупакованную гексагональную решетку со слоистым расположением атомов. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок различной формы и величины в серых чугунах, хлопьевидную форму в ковких чугунах, шарообразную форму в высокопрочных чугунах. Механические свойства графита чрезвычайно низки.

Все перечисленные четыре структурные составляющие одновре­менно являются также фазами системы сплавов железа с углеродом, так как они однородны — твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) или элементарное вещество (гра­фит).

Структурные составляющие ледебурит и перлит не однородны. Они представляют собой механические смеси, обладающие особыми свойствами (эвтектику и эвтектоид).

Перлитом
называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при вторичной кристалли­зации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723°. Эту критическую температуру, наблюдаемую только у стали, назы­вают точкой А±.
Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок, или зернистое, когда цементит имеет форму зерен. Механические свойства пластинчатого и зерни­стог

о перлита несколько отличаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности 82 кг/мм2
,
относительное удлинение 15%, твер­дость Нв
=
190-^-230. Предел прочности зернистого перлита равен 63 кг/мм2
,
относительное удлинение 20% и твердость Я» = = 1.60-г- 190.

Ледебуритом
называют эвтектическую смесь аусте­нита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристалли­зации при 1130°. Это наиболее низкая температура кристаллизации в системе сплавов железа с углеродом. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 723° превращается в перлит. Поэтому ниже 723° и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Он очень тверд (Нв
^ 700) и хрупок. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов. Механические свойства железоуглеродистых сплавов изме­няются в зависимости от количества структурных составляющих, их формы, величины и расположения.

Структурная диаграмма состояния Fe—Fe3
C является сложной диаграммой, так как в сплавах железо — углерод происходят не только превращения, связанные с кристаллизацией, но и превра­щения в твердом состоянии.

Границей между сталями и белыми чугунами является концентрация углерода 2%, а структурным признаком — наличие или отсут­ствие ледебурита. Сплавы с содержанием углерода менее 2% (у кото­рых ледебурита нет) называют сталями, а с содержанием углерода свыше 2% (в структуре которых есть ледебурит) — белыми чугунами.

В зависимости от концентрации углерода и структуры стали я чугуны принято подразделять на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура — феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура — перлит;

заэвтектоидные стали (свыше 0,8 до 2% С); структура — перлит в вторичный цементит;

доэвтектические белые чугуны (свыше 2 до 4,3% С); структура — ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит;

эвтектический белый чугун (4,3% С); структура—ледебурит;

заэвтектические белые чугуны (свыше 4,3 до 6,67% С); структура— ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.

Это подразделение, как видно из диаграммы состояния Fe—Fe3
C, соответствует структурному состоянию этих сплавов, наблюдаемому при комнатной температуре.

Вопрос 3.

Выберите инструментальный твердый сплав для чистового фрезерования поверхности детали из стали 30ХГСА. Дайте характеристику, расшифруйте выбранную марку сплава, опишите особенности структуры и свойства сплава.

Инструменты подразделяются на три группы: режущие (резцы, сверла, фрезы и др.), измерительные (калибры, кольца, плитки и др.), и инструменты для горячей и холодной обработки металлов давлением (штампы, волочильные доски и др.). В зависимости от вида инструментов требования, предъявляемые к сталям для их изготовления, разные.

Основным требованием, предъявляемым к сталям для режущих инструментов, является наличие высокой твердости, не снижающейся при высоких температурах, возникающих в процессе обработки металлов резанием (красностойкости). Твердость для металлорежущих инструментов должна составлять Rc
= 60÷65. Кроме того, стали для режущих инструментов должны обладать высокой износоустойчивостью, прочностью и удовлетворительной вязкостью.

Наибольшее применение для изготовления режущих инструментов получили быстрорежущие стали. Быстрорежущая сталь является многокомпонентным сплавом и относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В ее состав, кроме железа и углерода, входят хром, вольфрам и ванадий. Основным легирующим элементом в быстрорежущей стали является вольфрам. Наибольшее распространение получили (табл. 3) марки быстрорежущей стали Р18 (18 % W) и Р9 (9 % W).

Высокую твердость RC
= 62 и красностойкость быстрорежущая сталь приобретает после термической обработки, состоящей из закалки и многократного отпуска.

Таблица 1

Химический состав быстрорежущей стали

(по ГОСТ 5952-51)

Марка стали	Содержание элементов в %
	C	W	Cr	V	Mo
Р 18	0,70 – 0,80	17,5 – 19,0	3,8 – 4,4	1,04 – 1,4	≤0,3
Р 9	0,85 – 0,95	8,5 – 10,0	3,8 – 4,4	2,0 – 2,6	≤0,3

На рис.3 приведен график термической обработки быстрорежущей стали Р18.

Мы выбираем ее в качестве инструментального твердого сплава для чистого фрезерования т.к. эта марка стали подходит нам по своим характеристикам.

Термическая обработка быстрорежущей стали имеет ряд особенностей, которые обусловли­ваются ее химическим составом. Нагрев быстрорежущей стали, при закалке производится до высокой температуры (1260—1280°), необхо­димой для того, чтобы растворить в аустените карбиды хрома, воль­фрама и ванадия. До 800—850° нагрев производится медленно, чтобы избежать •больших внутренних напряжений в стали вследствие ее малой тепло­проводности и хрупкости, затем производят быстрый нагрев до 1260—.1280° с целью избежания роста зерна аустенита и обезуглерожива­ния. Охлаждение быстрорежущей стали производится в масле. Широкое применение получила также ступенчатая закалка быстро­режущей стали в солях при температуре 500—550°.

Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из мар­тенсита (54%), карбидов (16%) и остаточного аустенита (30%). После закалки быстрорежущая сталь подвергается многократному отпуску при 560°. Обычно производят трехкратный отпуск с выдержкой по 1 часу для того, чтобы уменьшить количество остаточного аустенита и повысить твердость стали. Во время вы­держки при температуре отпуска из аустенита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Происходит как бы вторичная закалка. Структура быстрорежущей стали после отпуска — мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и неболь­шое количество остаточного аустенита. Для еще боль­шего снижения количества остаточного аустенита быстрорежущие стали подвергают обработке холодом, которая производится перед отпуском. Весьма эффективно для повышения твердости и износо­стойкости применение низкотемпературного цианирования.

Быстрорежущие стали получили широкое распространение для изготовления различных режущих инструментов; изготовленные из этих сталей инструменты работают со скоростями резания, в 3—4 раза превышающими скорости резания инструментов из углеродистых сталей, и сохраняют режущие свойства при нагреве в процессе резания до 600º
- 620º
.

Вопрос. 4
Выберите наиболее рациональную и экономичную марку стали для изготовления пружины, которая после термической обработки должна получить высокую упругость и твердость не менее 44 …45 НRCЭ
.
Дайте характеристику, укажите состав стали, выберите и обоснуйте режим термообработки. Опишите и зарисуйте микроструктуру и свойства стали после термообработки.

Пружины используют для накопления энергии (пружинные моторчики), для восприятия и амортизации ударов, для компенсации теплового расширения в механизмах клапанного распределения и пр. Деформация пружины может проявляться в форме ее растяжения, сжатия, изгиба или скручивания.

Зависимость между силой Р и деформацией пружины F называется характеристикой пружины.

Согласно справочника конструктора – машиностроения, авт. Анурьев. В.И., выбираем наиболее рациональную и экономичную марку стали:

Сталь – 65Г
(марганцевая сталь), имеющую упругость и твердость равную 42…48 HRCЭ
. по Реквелю. Термическая обработка стали: температура закалки - 830º
С, (среда масло.), отпуск - 480º
С. Предел прочности (δВ
) – 100 кг/мм2
, предел текучести (δт
) – 85 кг/мм2
, относительное удлинение (δ5
) – 7%, относительное сужение (ψ) – 25%.

Характеристика – ресорно-пружинная сталь, высокого качества с содержанием P – S не более 0,025%. Подразделяется на 2 – категории : 1 – обезуглероженного слоя, 2 – с нормированным обезуглероженным слоем

Вопрос 5.
Для изготовления дисков компрессора авиадвигателя применили сплав АК4-1. Дайте характеристику, укажите состав и характеристику механических свойств сплава, способ и природу упрочнения сплава, способы защиты от коррозии.

АК4-1 – сплав на основе алюминия, перерабатываемый в изделие методом деформирования, упрочняемый термической обработкой, жаропрочный.

Состав сплава: Mg – 1.4…1.8%. Cu – 1.9…2.5%. Fe – 0.8…1.3%. Ni – 0.8…1.3%. Ti – 0.02…0.1%, примеси до 0,83%. Предел прочности сплава 430 МПа, предел текучести 0,2 – 280 МПа.

Легирован железом, никелем, медью, и др. элементами образующими упрочняющие фазы

Вопрос 6.
Экономические предпосылки применения неметаллических материалов в промышленности. Опишите группы, свойства газонаполненных пластмасс, приведите примеры из каждой группы, их свойства и область применения в конструкциях летательных аппаратов.

В последнее время все более широкое применение в качестве конструкционных материалов находят неметаллические полимерные материалы. Главная особенность полимеров заключается в том , что они обладают рядом свойств не присущих металлам, и могут служить хорошим дополнением к металлическим конструкционным материалам либо быть их заменой, а многообразие физико-химических и механических свойств, присущих различным видам пластмасс, и простота переработки в изделия обуславливают широкое применение во всех отраслях машиностроения, приборостроения, аппаратостроения и быту. Пластические массы отличаются малым удельным весом (от 0,05 до 2,0 г/см3
),
обладают высо­кими изоляционными свойствами, хорошо противостоят коррозии, отличаются широким диапазоном коэффициента трения и высоким сопротивлением истиранию.

В случае необходимости получения изделий, обладающих анти­коррозийной стойкостью, кислотоупорностью, бесшумностью в ра­боте с одновременным обеспечением легкости конструкции пласти­ческие массы могут служить заменителями черных металлов. Бла­годаря прозрачности и высоким пластическим свойствам некоторых видов пластмасс их широко применяют для изготовления небьюще­гося стекла для автомобильной промышленности. При изготовлении изделий с высокими электроизоляционными свойствами пластмассы заменяют и вытесняют высоковольтный фарфор, слюду, эбонит и прочие материалы. Наконец, паро-, бензо- и газопроницаемость, а также высокая водо- и светостойкость при хорошем внешнем виде обеспечивают широкое применение пластмасс в ряде отраслей про­мышленности.

Из пластмасс изготовляют вкладыши для подшипников, сепара­торы, бесшумные зубчатые колеса, лопасти вентиляторов, лопатки для моечных машин и мешалок, радиоаппаратуру, футляры для радио­приемников и часов, электрическую аппаратуру, дистрибуторы, шлифовальные круги, непромокаемые и декоративные ткани и разно­образные предметы широкого потребления.

Пенопласты
представляют собой легкие газонаполненные пластические массы на основе синтетических смол. Пенопласты подразделяются на две группы: 1 – материалы с сообщающимися порами – губки (плотность менее 300 кг/м3
), 2 – материалы с изолированными порами – пены (плотностью более 300кг/м3
).

Свойства пенопластов очень разнообразны: одни обладают твердостью, как стекло, другие – эластичностью, подобно резине. Все пенопласты хорошо поддаются механической обработке столярным инструментом, легко прессуются в нагретом состоянии в изделия сложной формы и склеиваются. В авиастроении пенопласты применяют в качестве заполнителя между двумя обшивками в целях повышения жесткости и прочности конструкции, а также как тепло – и звукоизоляционный материал.